CN110430576B - 无人机辅助的非正交多址接入网络中安全携能通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人机辅助的非正交多址接入网络中安全携能通信方法,本方法中将某个通信时段划分为两个阶段。第一阶段,无人机基站通过预编码优化使得每个地面无源节点(PR)的接收功率最大化,以实现快速充电。第二阶段,为保证PR安全通信,无人机基站生成合法的NOMA信息和人工噪声干扰。此外,在NOMA下行无线携能通信网络中,每个PR使用存储的能量来执行能量采集和信息解码,优化时间因子和功率因子来最大限度地提高所有PR的总吞吐量,同时优化波束预编码矩阵和人工噪声实现每个PR处接收到的干扰功率最大,保证通过串行干扰消除(SIC)可以完全消除干扰。本发明中,辅助人工噪声信号对合法通信没有影响,可以有效地干扰窃听,实现物理层安全通信。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器构成的非正交多址接入(NOMA)网络安全领域,涉及一种无人机辅助的NOMA网络中基于预编码优化的安全携能通信方法。
背景技术
无人机(UAV)由于其高移动性、低成本、方便携带、配置灵活等优点,在军事、民用领域都得到了广泛应用。与地面通信相比,无人机具有明显的短距离视线链路优势,可以显著提高网络性能。此外,由于其灵活性和机动性,无人机可以快速部署,以支持复杂无人环境中的通信。因此,无人机在未来的无线通信领域具有良好的发展潜力。另一方面,由于数据流量和移动设备的爆炸式增长,非正交多址(NOMA)技术已成为面向5G提高频谱效率和实现大规模连接的一种新型多址接入方案。NOMA的主要思想是将具有不同信道条件的多个用户服务于同一个非正交资源块,例如,常用的功率域NOMA就是利用功率分配技术控制每个用户的发射信号,使它们处于不同的功率等级,然后将这多个用户信号叠加在功率域中。相应地,接收端采用串行干扰消除(SIC)技术,逐步消除多址干扰,实现用户信息分离。基于两种技术的卓越优势,将UAV与NOMA技术相结合,可以很大程度上提升无线通信网络的性能。
可靠性是通信系统的一个重要性能指标。由于无线通信具有开放性和广播性等特点,信息的安全传输也一直是无线通信领域中的重要问题。近年来,随着移动支付和社交网络等应用的推广,人们更乐意在移动终端上完成更为隐私、更为机密的任务,这意味着用户信息泄露的潜在风险更大,后果更为严重。盗取用户信息的一种重要方式就是窃听。传统方法是在网络层上利用高复杂度的密钥对信息进行加密,来保证可靠的传输,但随着具有更强计算能力的量子计算机出现,这种传统安全方法也变得不再可靠。近年来,学者们提出使用物理层安全技术来提高无线通信系统的安全性能,这为无线通信中的安全传输提供了一种新的思路。而其中最重要的一种方法便是人工噪声。本发明中正是利用人工噪声来抑制窃听,提高网络的安全性能。
此外,无线传感器在军事、国防、工农业等通信场景中都发挥着重要作用。由于其低功耗和易于部署的特点,无线传感器可以实现在复杂无人环境中进行信息传输。然而,无线传感器节点是能源受限器件,常使用外部电池进行供电,电池频繁更换将大大增加网络的维护成本,这极大地限制了无线传感器网络发展。近年来,无线携能通信技术(SWIPT)受到广泛关注,成为提高传感器网络能量效率的一个很好的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种UAV辅助的NOMA网络中安全携能通信方法。在K个无源节点的NOMA下行携能通信网络中,一方面提高了无源传感器构成的NOMA网络的频谱效率和能量效率,另一方面人工噪声的引入增强了通信系统的安全性能,为NOMA网络的安全性设计提供了重要的技术参考。
本发明解决技术问题采用的技术方案如下:
一种无人机辅助的非正交多址接入(NOMA)网络安全携能通信方法,包括以下步骤:
步骤1:从某段时间T开始,将这段时间分为两个阶段,以时间分割系数τ隔开。
步骤2:第一阶段τT,无人机基站以额定的发射功率PS发射能量信号,唤醒地面K个无源节点,并为无源节点充电,直到各个节点收集到的能量均大于最小工作能量Emin,第一阶段结束。
步骤3:从第二阶段(1-τ)T开始,为携能通信阶段,无人机基站以PS同时发送能量信号和NOMA信息,无源节点采用功率分割技术,将接收到的信号分割为两部分,以功率分割系数α隔开;一部分进行能量收集,继续为节点补充电能;另一部分作为有用的信号经SIC接收机完成信号解调与译码。
步骤4:回到步骤1,继续下一时段通信任务。
hk为信道增益;vk为各节点预编码矢量;vjam为人工噪声的预编码矢量;为保证服务质量(QoS),各节点的信干噪比(SINR)应大于等于门限值为确保人工噪声在SIC接收机处被可靠消除,其SINR应大于等于门限rjam。
为了保障网络的安全性能,人工噪声会与NOMA信息同时在无人机基站端产生,经过合理的波束设计可以实现既不影响合法通信又能够抑制潜在窃听者。在此基础上,优化τ、α和各节点与人工噪声的预编码矢量,实现吞吐量最大化。
本发明的NOMA网络中安全携能通信新方法,一方面提高了无源传感器构成的NOMA网络的频谱效率和能量效率,另一方面人工噪声的引入增强了通信系统的安全性能,为NOMA网络的安全性设计提供了重要的技术参考。
附图说明
图1 UAV辅助NOMA无线携能通信网络示意图;
图2本发明中K=3时,各节点存储能量随时间变化比较;
图3本发明中随发射功率的变化,各节点安全速率、窃听速率比较;
图4本发明中随发射功率和人工噪声信干燥比门限变化,第1个节点的安全速率、窃听速率比较;
图5本发明中随着发射功率的变化,各节点吞吐量及总吞吐量的比较;
图6本发明中随着发射功率的变化,时间分割系数和功率分割系数的比较;
图7本发明中多节点下(K=5),各节点存储的能量随时间变化比较。
具体实施方式
为了更好的理解,下面将结合附图和具体的实施例,详细说明本发明。
实施例1
在一个K=3无源节点的NOMA网络中,各节点的SINR约束为最小工作能量设为Emin=1mJ,能量收集效率η=0.3,时间段为T=20s。无人机作为基站悬停在H=5m的高空,这些节点随机地分布在无人机基站四周,等待被唤醒。与此同时,为了衡量网络的安全性能,我们假设存在一个外部窃听者,且合法网络中无法获取窃听者的信道状态信息(CSI)。
首先,第一阶段——无线能量传输阶段,无人机以恒定的发射功率PS发射无线能量信号,地面上的无源节点接收信号,被唤醒,接着继续充电,直到达到最小工作能量Emin,如图2所示,节点储存能量会随着时间逐渐上涨,达到设定的最小工作能量Emin=1mJ,此段时间即为第一阶段。然后进入第二阶段——携能通信阶段,此时,无人机以PS向地面节点同时发送能量信号和NOMA信息,其中包含大量的人工噪声,接收节点采用功率分割技术,将收到的信号分为两部分,一部分继续为节点充电,另一部分送到SIC接收级,消除人工噪声和干扰,逐步恢复出有用的信息。如图2所示,节点储存的能量将在第二阶段逐渐减少,最终降至零,刚好完成第二阶段的通信过程。
如图3所示,在不同的发射功率情况下,对各用户的安全速率、窃听速率进行比较。从实验结果可知,各节点传输速率随功率增大略有上升,窃听速率变化不大,所以各节点安全速率随着发射功率的增大而增加,故总安全速率也逐渐提升。尽管各节点的安全速率提升不大,但其窃听速率均降至小于1bit/s/Hz,这表明人工噪声可以显著抑制窃听、实现对窃听的破坏。值得注意的是,节点1的窃听速率在三个用户中最大,这是因为节点1距离无人机基站最远,信道质量最差,故无人机发射端分配给节点1的信号功率最高,因此窃听者最容易获取到发送给节点1的信息。为了进一步分析节点1的安全性能,在图4中节点1的安全速率、窃听速率随发射功率PS和人工噪声SINR门限rjam的变化而变化,例如rjam=1,rjam=2,rjam=3。如图4所示,随着人工噪声SINR门限的提高,节点1的窃听速率显著下降,安全速率有所提高,其安全性能明显增强。这是由于rjam的增大实际上增加了人工噪声的发射功率,从而使得窃听进一步被抑制。
基于上述设定,在图5中可以得到本方法中随着发射功率的变化,各节点吞吐量及总吞吐量的比较,随着发射功率PS的增大,各节点安全速率逐渐上升,时间分割系数τ逐渐下降,从而导致各节点的吞吐量均逐渐增大,进而总吞吐量逐渐增大,实现了预期的优化目标。这一点在图6中可以得到进一步验证,图6中展示了本方法中随着发射功率PS的变化,时间分割系数τ和功率分割系数αk的比较,从图中可以看出,时间分割系数τ随PS增大而减小,实现了各节点吞吐量及总吞吐量的最大化。
实施例2
本发明提供的无人机辅助的NOMA网络中安全携能通信的新方法,可以应用在多用户NOMA网络中。例如在K=5无源节点的NOMA网络中,各节点的能量随时间的变化曲线如图7所示,与3个节点的网络相同,5个节点的存储能量同样经过先增加,再降低的过程分别对应前面所提到的两个阶段。另外,图7中还体现了发射功率的变化对于时间分割系数τ的影响,例如两个不同的发生功率下,PS=10W、PS=30W,从图中可以看出,发射功率越大,第一阶段时间长度越短,即时间分割系数τ越小,与图6中3个节点网络的结论相同。
Claims (1)
1.一种无人机辅助的非正交多址接入(NOMA)网络安全携能通信方法,包括以下步骤:
步骤1:从某段时间T开始,将这段时间分为两个阶段,以时间分割系数τ隔开;
步骤2:第一阶段τT,无人机基站以额定的发射功率PS发射能量信号,唤醒地面K个无源节点,并为无源节点充电,直到各个节点收集到的能量均大于最小工作能量Emin,第一阶段结束;
步骤3:从第二阶段(1-τ)T开始,为携能通信阶段,无人机基站以PS同时发送能量信号和NOMA信息,无源节点采用功率分割技术,将接收到的信号Pr [k]分割为两部分,以功率分割系数α隔开;一部分进行能量收集,继续为节点补充电能;另一部分作为有用的信号经SIC接收机完成信号解调与译码;优化τ、α和各节点与人工噪声的预编码矢量,实现吞吐量最大化;
步骤4:回到步骤1,继续下一时段通信任务;
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