CN110730494B - 最大化无人机下行非正交多址noma移动用户最小安全速率的功率优化方法 - Google Patents

Abstract

最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法，涉及信息与通信技术领域。是为了提高最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率，本发明设计了一种最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的功率优化方法，所述方法可以针对大量NOMA移动用户的安全传输进行功率分配优化，同时所述方法可有效利用有限资源在保证物联网业务一定的服务质量的同时，相对于平均功率分配方法能够有效提升NOMA移动用户的安全速率。

Description

最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的 功率优化方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域。

背景技术

无人机被认为是未来空天地一体化网络的重要组成部分，因为它能够提供灵活的重新配置的无线连接，具有很高的灵活性。特别是在地面网络被破坏或没有地面网络覆盖的紧急情况下，经常派出无人机执行一些临时任务，例如为偏远地区的物联网(IoT)节点和移动用户提供无人机覆盖。此外，无人机提供的视距(LoS)通道有助于提高系统容量。为了充分发挥无人机的潜力，非正交多址(NOMA)已被应用到无人机通信中，以提高频谱利用率，提高通信能力。虽然无人机辅助通信带来各种优势，但众所周知，它很容易受到窃听攻击。

为了保证无人机通信的保密性能，对其物理层安全性进行了广泛的研究。为了提高无人机的保密性，利用无人机的移动性，提出了一种联合轨迹和传输功率优化方法，最大限度地提高无人机传输干扰信号以对抗窃听的保密率。一种干扰无人机被设计用来与串谋窃听者进行干扰，以保护特定无人机的传输信息。此外，当窃听者(Eves)不知道译码顺序时，NOMA可用于实现物理层安全。此外，有研究分析了NOMA的频谱效率和安全性，结果表明NOMA传输性能优于正交多址(OMA)方案。

此外，无人机通常能够在物理上检测到保护区内可疑的Eves的存在，这是一个安全的区域，没有任何Eves的存在。无人机辅助通信为偏远地区的安全传输提供了一个很有前途的解决方案。

此外，由于空对地链路的LoS信道通常在偏远地区的小规模衰落中占主导地位，利用随机信道的差异实现物理层安全是一个挑战。

发明内容

本发明是为了提高最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率，

从而提出一种最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法

最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、建立最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的问题模型；

设P_t为无人机的总功率，P_U为无人机用于下行非正交多址NOMA移动用户安全传输的功率，P_N为无人机物联网业务的功率，并且P_N+P_U≤P_t；则无人机到第k个终端的信道模型gk为：

其中:β₀代表在参考距离为d₀＝1米(m)的信道功率增益，H为无人机的高度，X_k为无人机到该终端的水平距离；设α为无人机下行物联网业务与NOMA移动用户的带宽分配系数，基于NOMA的性质特点，则移动用户能够复用的频率资源为αB，则物联网业务的带宽为(1-α)B；设NOMA移动用户的信道增益服从：

其中：u_j代表第j个NOMA用户)，则利用串行干扰消除(SIC)技术在解调第j个用户的信号时，假设它前面j-1个用户的信号已成功解调。综上，第j个用户的可达速率表示为：

其中：

代表用户u_j的信道功率增益，U代表接入无人机的移动用户索引的集合，N₀代表噪声功率谱密度。不失一般性，设用户u_j为窃听者的目标。窃听者的可达速率表示为：

其中，

代表为窃听者的信道功率增益；则用户u_j的安全速率表示为：

其中：

[x]⁺＝max(x,0) (6)

即：如果x大于0取值为x，如果x小于0取值为0；

对于无人机下行通信中的物联网业务，不失一般性，第i个物联网节点的可达速率为：

其中：

代表第i个物联网节点的信道功率增益，N代表无人机下行物联网节点的索引。利用(7)，计算得出满足成功接收概率的物联网节点距离无人机的范围为：

其中：

为：物联网节点保证成功接收概率所需求的最小传输速率；因此：最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的问题模型表示为：

P1:

s.t.

0≤α≤1 (9)

步骤二、获取保证物联网节点成功接收概率下无人机用于NOMA移动用户安全传输的最大功率；

利用式(7)，则物联网节点的功率具有以下约束：

则无人机用于NOMA移动用户安全传输的最大功率为：

步骤三、证明得出最大的NOMA用户最小安全速率取值发生在所有NOMA用户安全速率相等的情况，即：当

时，NOMA移动用户最小的安全速率达到最大值；

设用户u_q的安全速率最小，即：

1≤q≤J，设

为第二小的安全速率(仅比用户u_q的安全速率大，

且

其中：j≠{q,k}。为了获取最大的

首先固定用户u_q与u_k的功率。这种情况下，用户u_q与u_k的功率和

看作是一个常数。当增加用户u_q的功率时，用户u_k的功率相应的减少，则

增大。因此安全速率

将随着

的减少而增加。然而，基于最初的设定，

不能够大于

所以，NOMA移动用户最大最小安全速率的取值当且仅当

时；

将

与

看作是一个整体，重复调整

与更新后的第二小的安全速率用户的功率优化，依次更新之后，当且仅当

时，式(7)给出的最大最小问题的解。

步骤四、基于二分法逐次获取最优的NOMA移动用户的功率：

根据SIC准则，用户u_J能够完全消除用户干扰，则用户u_J的安全速率只由它自身的功率

决定，当给用户u_J分配一个初始化的功率，根据

用户u_J-1的功率可以计算如下：

其中：

代表用户u_i的功率。

其中

NOMA用户的解调顺序为从u_J到u₁，初始化功率γ_J＝P_U/2，则根据式(13)，能够得到一组用户功率

因此只需找到最佳的γ_J，就能够求解式(7)中的问题P1。首先给出以下准则来判断γ_J过大或者过小，当得到一个

时，将剩余功率(P_U-γ_k)全部分配给信道条件最差的用户u₁，利用式(4)计算得出

若

则γ_J过大，因此利用γ_J＝γ_J/2来更新初始化的γ_J；此外，当

时，γ_J过小，利用γ_J＝(γ_J+x)/2来更新，其中x＝γ_J为一个中间变量，γ_J为上步执行过程中分配的过大的γ_J。物别地，当

并且γ_J在之前的更新步骤中从未被判断为过大时，x应替换为P_U。最后，通过数次更新之后，一组最优的功率分配系数将会得到，将该功率分配系数作为最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化结果，完成一次最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化。

本发明设计了一种最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的功率优化方法，所述方法可以针对大量NOMA移动用户的安全传输进行功率分配优化，同时所述方法可有效利用有限资源在保证物联网业务一定的服务质量的同时，相对于平均功率分配方法能够有效提升NOMA移动用户的安全速率。

附图说明

图1是本发明设计的无人机发射功率对NOMA移动用户最小安全速率的影响；

图2是本发明设计的无人机高度对NOMA移动用户最小安全速率的影响；

图3是本发明设计的保护区大小对NOMA移动用户最小安全速率的影响；

图4是本发明设计的物联网节点最小接收速率对NOMA移动用户最小安全速率的影响；

具体实施方式

图1给出了本发明设计的无人机发射功率对NOMA移动用户最小安全速率的影响，其中

无人机高度为H＝50米，保护区半径为80米。从图1中可以看出，在我们提出的功率分配策略中，最大-最小保密率随着传输功率的增大而增大，明显优于等功率分配策略。在等功率分配策略下，最小保密率对应于信道功率增益最差的MU，可以看出在低传输功率区域最小保密率增大，在高传输功率区域最小保密率减小。这是因为当传输功率足够大时，

近似得到为

同样地

也是。因此，在较高的传输功率区域，最小保密率会下降到零。

图2给出了本发明设计的无人机高度对NOMA移动用户最小安全速率的影响

Kbits/s，其中传输功率设置为20dBm，保护区半径设置为80米。从图中可以看出，随着无人机飞行高度的增加，可以达到的最小保密率降低，这与我们的分析相吻合。此外，与等功率分配方案相比，采用我们提出的功率分配策略可以获得更高的最大最小保密率。

图3给出了本发明设计的保护区大小对NOMA移动用户最小安全速率的影响，其中无人机总功率为20dBm，并且无人机高度为H＝50米。可以看出，本发明所提出的方法所获得的最大最小保密率随着

增大，对于给定的带宽，当

增大大时会降低Mus的功率分配。

图4是本发明设计的物联网节点最小接收速率对NOMA移动用户最小安全速率的影响，其中，无人机高度为H＝50米，无人机总功率为20dBm，并且

结果表明，随着保护区半径的增大，最小保密率增大。根据我们的分析，扩大后的保护区域可以禁止窃听者进一步远离无人机中心，从而使得窃听者的信道质量变差，提高了保密率。此外，在我们提出的功率分配策略下，与等功率分配相比，最大最小保密率有明显的提高。它解释了最大-最小速率的下降。特别是保密率最终降为零，说明所有的功率都用于达到INs所需的速率，而MUs没有可用的功率。

受窄带物联网(NB-IoT)和长期演进(LTE)共存的启发，我们考虑了移动用户(MUs)所在的偏远地区。与物联网节点(INs)共存，两者都由无人机辅助通信提供服务。在实际应用中，无人机常常被期望在有限的机载能量和飞行时间下，最大限度地发挥一次任务执勤的收益，因此需要对资源进行最优的分配，以提高MUs的安全性能，同时保证INs的服务质量(QoS)要求。

本发明是为了解决最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的问题，包括：

1)针对无人机下行移动用户与物联网节点共存网络面临窃听威胁，建立考虑无人机总功率、物联网节点成功接收概率约束的最大化无人机下行非正交多址(NOMA)用户最小安全速率的问题模型。

2)为保证物联网节点一定的成功接收概率所需的功率，获取无人机服务于NOMA移动用户的最大功率。同时，证明得出最大的NOMA用户最小安全速率取值发生在所有NOMA用户安全速率相等的情况。

为提升无人机下行NOMA移动用户的安全速率，同时保证无人机下行物联网业务的服务质量的同时，提出基于二分法逐次获取最优的NOMA移动用户的功率。

本发明具有以下特点和显著进步：

本发明具有以下特点和显著进步：

本发明设计了一种最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的功率优化方法，本发明设计基于二分法的逐次功率分配方法相对于常规平均功率分配方法能够有效提升NOMA移动用户的安全性能，同时保证了无人机下行物联网业务的服务质量需求，此外本发明所设计的方法不受限于NOMA用户数目的影响。

Claims (3)

1.最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法，其特征是：它包括以下步骤，具体为：

步骤一、建立最大化无人机下行非正交多址(NOMA)移动用户最小安全速率的问题模型：

设P_t为无人机的总功率，P_U为无人机用于下行非正交多址NOMA移动用户安全传输的功率，P_N为无人机物联网业务的功率，并且P_N+P_U≤P_t；则无人机到第k个终端的信道模型为：

其中：β₀代表在参考距离为d₀＝1米(m)的信道功率增益，H为无人机的高度，X_k为无人机到该终端的水平距离；设α为无人机下行物联网业务与NOMA移动用户的带宽分配系数，基于NOMA的性质特点，则移动用户能够复用的频率资源为αB，则物联网业务的带宽为(1-α)B；设NOMA移动用户的信道增益服从：

其中：u_j代表第j个NOMA用户，则利用串行干扰消除(SIC)技术在解调第j个用户的信号时，假设它前面j-1个用户的信号已成功解调；综上，第j个用户的可达速率表示为：

其中：

代表用户u_j的信道功率增益，u代表接入无人机的移动用户索引的集合，N₀代表噪声功率谱密度；不失一般性，设用户u_j为窃听者的目标；窃听者的可达速率表示为：

其中，

代表为窃听者的信道功率增益；则用户u_j的安全速率表示为：

其中：

[x]⁺＝max(x,0) (6)

对于无人机下行通信中的物联网业务，不失一般性，第i个物联网节点的可达速率为：

其中：

代表第i个物联网节点的信道功率增益，

代表无人机下行物联网节点的索引，利用(7)，计算得出满足成功接收概率的物联网节点距离无人机的范围为：

其中：

为：物联网节点保证成功接收概率所需求的最小传输速率；因此：最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的问题模型表示为：

步骤二、获取保证物联网节点成功接收概率下无人机用于NOMA移动用户安全传输的最大功率；

利用式(7)，则物联网节点的功率具有以下约束：

则无人机用于NOMA移动用户安全传输的最大功率为：

步骤三、证明得出最大的NOMA用户最小安全速率取值发生在所有NOMA用户安全速率相等的情况，即：当

时，NOMA移动用户最小的安全速率达到最大值；

设用户u_q的安全速率最小，即：

1≤q≤J，设

为第二小的安全速率， 仅比用户u_q的安全速率大，

且

其中：j≠{q,k}，为了获取最大的

首先固定用户u_q与u_k的功率；这种情况下，用户u_q与u_k的功率和

看作是一个常数；当增加用户u_q的功率时，用户u_k的功率相应的减少，则

增大；因此安全速率

将随着

的减少而增加；然而，基于最初的设定，

不能够大于

所以，NOMA移动用户最大最小安全速率的取值当且仅当

时；

将

与

看作是一个整体，重复调整

与更新后的第二小的安全速率用户的功率优化，依次更新之后，当且仅当

时，式(7)给出的最大最小问题的解；

步骤四、基于二分法逐次获取最优的NOMA移动用户的功率：

根据SIC准则，用户u_J能够完全消除用户干扰，则用户u_J的安全速率只由它自身的功率

决定，当给用户u_J分配一个初始化的功率，根据

用户u_J-1的功率可以计算如下：

其中：

代表用户u_i的功率；

其中

NOMA用户的解调顺序为从u_J到u₁，初始化功率γ_J＝P_U/2，则根据式(13)，能够得到一组用户功率

因此只需找到最佳的γ_J，就能够求解式(7)中的问题P1；首先给出以下准则来判断γ_J过大或者过小，当得到一个

时，将剩余功率(P_U-γ_k)全部分配给信道条件最差的用户u₁，利用式(4)计算得出

若

则γ_J过大，因此利用γ_J＝γ_J/2来更新初始化的γ_J；此外，当

时，γ_J过小，利用γ_J＝(γ_J+x)/2来更新，其中x＝γ_J为一个中间变量，γ_J为上步执行过程中分配的过大的γ_J；特别地，当

并且γ_J在之前的更新步骤中从未被判断为过大时，x应替换为P_U最后，通过数次更新之后，一组最优的功率分配系数将会得到，将该功率分配系数作为最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化结果，完成一次最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化。

2.根据权利要求1所述的最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法，其特征在于该优化方法的应用场景是偏远地区的物联网(IoT)节点或移动用户提供无人机覆盖。

3.根据权利要求1所述的最大化无人机下行非正交多址NOMA移动用户最小安全速率的功率优化方法，其特征在于公式(6)的含义是：如果x大于0取值为x，如果x小于0取值为0。

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