CN109788476A - 一种基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其方法为建立三维空间地面站到无人机的视距通信系统，该通信系统视为半径为R(R>0)的半球，地面站位于半球的中心；在半球中均匀分布且相互独立的合法无人机和窃听无人机；根据随机几何理论得出地面站到无人机通信链路上信噪比的统计特性，所述的信噪比统计特性包括其累计分布函数和概率密度函数；根据保密中断概率控制地面站到合法无人机的信息传输；当保密中断概率小于等于中断概率阈值时，保持正常信息传输；当保密中断概率大于中断概率阈值时，作出预警并立即切换信息传输内容、及时调整合法无人机的位置。本发明确保了地面站到无人机的通信系统的安全性。同时，也兼顾了无人机位置及窃听无人机数量的随机性，从而使本发明的方法更加实用，解决了军事、民用等领域中无人机通信的保密性问题。

Description

一种基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于随机几何的无人机安全通信诊断方法。

背景技术

最近，无人机通信越来越引起研究人员的兴趣，因为它们被认为是对空间通信的有效补充，可以提供强大可靠的通信网络。无人机不仅可以在军事和民用领域发挥关键作用，还可以应用于无线通信，例如充当空中基站或中继。由于无人机的高度比地面终端高得多，无人机对地链路通常由视距信道控制，因而忽略了多径效应如阴影和小尺度衰落，它们能提供更好的通信性能。

然而，大多数现有文献没有考虑从地面站传输到合法无人机的保密信息的安全性。实际上，有一种潜在的方法，即物理层安全性，可以防止信息传递被窃听。人们已经研究了几种技术来实现保密性，例如人工噪声、功率控制等。但是，无人机通信系统的安全性尚未得到很好的分析和研究。

此外，大多数研究只考虑无人机的固定位置和固定数量，而无人机可以在三维空间中自由移动。在实际情况中，由于空域条件或无人机的预定任务，无人机的位置可能会有所不同。特别是，想要窃听传输信息的恶意无人机将始终改变其位置以掩盖其窃听行为。

发明内容

本发明目：解决现有技术中民用、军事等领域中无人机通信的安全性不高，提供一种诊断地面站到无人机通信是否安全的基于随机几何的无人机安全通信诊断方法。

技术方案：本发明提供一种基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，该诊断方法包括以下步骤：

(1)建立三维空间地面站到无人机的视距通信系统，该通信系统视为半径为R(R>0)的半球，地面站位于半球的中心；在半球中均匀分布且相互独立的合法无人机和窃听无人机。

(2)根据随机几何理论得出地面站到无人机通信链路上信噪比的统计特性，所述的信噪比统计特性包括其累计分布函数和概率密度函数；

(3)对最大信噪比的概率密度函数和合法无人机的概率密度函数进行微积分计算，求解出保密中断概率，其表达式为：

式中，C_th(C_th≥0)为阈值保密率，B(x,y)为Beta函数，₂F₁为高斯超几何函数，

其中，

(4)根据保密中断概率控制地面站到合法无人机的信息传输；当保密中断概率小于等于中断概率阈值时，保持正常信息传输；当保密中断概率大于中断概率阈值时，作出预警并立即切换信息传输内容、及时调整合法无人机的位置。

进一步，所述的合法无人机和窃听无人机的数量服从泊松分布，其表达式为：

式中，为均值、i＝0,1,2,…,N；λ为无人机的密度，其中，i＝0对应合法无人机，i＝1,2,…,N对应窃听无人机。

进一步，所述步骤1中的初值设定为：λ＝-110dB。

进一步，所述步骤(3)中的初值设定为：γ＝80dB；P＝10dB；R＝5000m。

进一步，所述的步骤(3)中的初值设定为：C_th＝1bits/s/Hz。

进一步，所述的步骤(4)中的中断概率阈值C₀初值设定为：C₀＝10^-3。

有益效果：本发明诊断地面站到无人机的通信系统的保密性能，确保通信系统的安全性。同时，也兼顾了无人机位置及窃听无人机数量的随机性。从而使本发明的方法更加实用，解决了军事、民用等领域中无人机通信的保密性问题。

附图说明

图1为本发明的三维空间中地面站到无人机的视距通信系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

本实施例提供了一种基于随机几何的无人机安全通信诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，建立三维空间地面站到无人机的视距通信系统，该通信系统包含了一架合法无人机和多架窃听无人机，如图1所示，地面站将其信息传输给合法无人机；分布在地面站的覆盖空间中的多架无人机，试图窃听地面站和合法无人机之间的信息传输。所述的三维通信系统视为半径为R(R>0)的半球，所述的地面站位于半球的中心；所述的合法无人机和N架窃听无人机相互独立且均匀分布在半球中，并且无人机的数量服从泊松分布，即其中表示均值、i＝0,1,2,…,N；所述的λ表示无人机的密度，所述的i＝0对应合法无人机，所述的i＝1,2,…,N对应窃听无人机；所述的r_i表示地面站到第i架无人机的链路距离，i＝0,1,2,…,N。在本实施例中，优选λ＝-110dB。

步骤2，根据随机几何理论确定地面站到无人机通信链路上信噪比的统计特性，所述的信噪比统计特性包括其累计分布函数和概率密度函数；其中，

所述的第i架无人机的信噪比的累计分布函数的表达式为：

所述的为第i架无人机的信噪比，所述的P表示地面站的发射功率、表示地面站到第i架无人机的信道功率增益、δ²表示噪声功率、表示参考信噪比，所述的β表示参考距离为1m处的信道功率；

所述的第i架无人机的信噪比的概率密度函数的表达式为：

所述的所有窃听无人机的最大信噪比的累计分布函数的表达式为：

所述的

所述的所有窃听无人机的最大信噪比的概率密度函数的表达式为：

步骤3，根据数学公式导出保密中断概率的表达式：

所述的C_th(C_th≥0)表示阈值保密率，所述的B(x,y)表示Beta函数，所述的₂F₁表示高斯超几何函数，所述的本实施例中，γ＝80dB，P＝10dB，D＝5000m，C_th＝1bits/s/Hz；

步骤4，根据步骤3所计算出的保密中断概率，当保密中断概率小于等于中断概率阈值C₀时，保持正常信息传输；当保密中断概率大于阈值中断概率C₀时，作出预警并立即切换信息传输内容、及时调整终端位置即合法无人机的位置，以保证更佳实用的无人机保密通信。本实施例中，优选中断概率阈值C₀＝10^-3。

在本发明中，研究了地面站到无人机通信系统的保密性能，并得出了保密中断概率的解析表达式。本发明考虑所有无人机位置及窃听无人机数量的随机性，使本发明的系统更加实用，解决了军事、民用等领域中无人机通信的保密性问题。数值仿真结果表明，窃听无人机的密度越高、地面站的覆盖空间半径越大，保密中断概率越大。因此，当窃听无人机的密度低时，可以适当增加地面站的覆盖空间半径来改善平均保密性能。

Claims (6)

1.一种基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于，该诊断方法包括以下步骤：

(1)建立三维空间地面站到无人机的视距通信系统，该通信系统视为半径为R(R＞0)的半球，地面站位于半球的中心；在半球中均匀分布且相互独立的合法无人机和窃听无人机。

(2)根据随机几何理论得出地面站到无人机通信链路上信噪比的统计特性，所述的信噪比统计特性包括其累计分布函数和概率密度函数；

其，第i架无人机的信噪比的累计分布函数的表达式为：

其，第i架无人机的信噪比的概率密度函数的表达式为：

其，所有窃听无人机的最大信噪比的累计分布函数的表达式为：

式中，

其，所有窃听无人机的最大信噪比的概率密度函数的表达式为：

式中，为第i架无人机的信噪比，P为表示地面站的发射功率、g_i＝βr_i ^-2为地面站到第i架无人机的信道功率增益、δ²为噪声功率、为参考信噪比，β为参考距离为1m处的信道功率，r_i为地面站到第i架无人机的链路距离，i＝0,1,2,…,N；其中，i＝0对应合法无人机，i＝1,2,…,N对应窃听无人机；

(3)对最大信噪比的概率密度函数和合法无人机的概率密度函数进行微积分计算，求解出保密中断概率，其表达式为：

式中，C_th(C_th≥0)为阈值保密率，B(x,y)为Beta函数，₂F₁为高斯超几何函数，

其中，

(4)根据保密中断概率控制地面站到合法无人机的信息传输；当保密中断概率小于等于中断概率阈值时，保持正常信息传输；当保密中断概率大于中断概率阈值时，作出预警并立即切换信息传输内容、及时调整合法无人机的位置。

2.根据权利要求1所述的基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于：所述的合法无人机和窃听无人机的数量服从泊松分布，其表达式为：

式中，为均值、I＝0,1,2,…,N；λ为无人机的密度，其中，i＝0对应合法无人机，i＝1,2,…,N对应窃听无人机。

3.根据权利要求2所述的基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于：所述步骤1中的初值设定为：λ＝-110dB。

4.根据权利要求1所述的基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(3)中的初值设定为：γ＝80dB；P＝10dB；R＝5000m。

5.根据权利要求1所述的基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的初值设定为：C_th＝1bits/s/Hz。

6.根据权利要求1所述的基于随机几何的无人机安全通信的诊断方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的中断概率阈值C₀初值设定为：C₀＝10^-3。