CN110912604A - 一种基于多用户调度的无人机安全通信方法 - Google Patents

一种基于多用户调度的无人机安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多用户调度的无人机安全通信方法，该方法适用于应急场景下基站与用户之间的数据传输；其中利用无人机基站给用户提供网络覆盖，考虑以安全容量最大化为目标，通过多用户调度准则选出接入用户。本发明通过联合考虑路径损耗和小尺度衰落来进行多用户调度，最大程度地提高了无人机通信系统的安全容量，有效保障了无人机到用户终端的通信质量。

Description

一种基于多用户调度的无人机安全通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于多用户调度的无人机安全通信方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
由于无人机的成本低，易操作，具有高度灵活性，其在通信领域的使用越来越广泛。无人机网络具有巨大的应用场景，对信息技术尤其具有重要的现实意义。虽然无人机网络的研究投入越来越多，但无人机网络的安全问题还没有得到充分的解决，这主要是因为无线通信中，由于无线媒体固有的广播特性，信息很容易被未经授权的接收者截获。随着无人机网络进行安全通信的需求也越来越大，如何解决这些问题来建立一个安全的无人机通信网络至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有的安全通信问题，提供一种基于多用户调度的无人机安全通信方法。通过多用户调度准则选取用户进行通信，提高系统安全容量，由此保障无人机通信安全。
一种基于多用户调度的无人机安全通信方法，所述方法包括以下步骤：
获得接入无人机网络的每个用户的位置及信道状态信息；
根据用户位置计算出用户的路径总损耗；
根据窃听链路距离计算窃听信道的路径总损耗；
通过用户的路径损耗计算出主信道容量，通过窃听信道的路径总损耗计算出窃听信道容量；
根据主信道容量与窃听信道容量之差，采用多用户调度准则选出接入用户。
优选地，所述方法还包括：获得接入无人机网络的信道状态信息，所述信道的状态信息为无人机通信网络中无人机基站给用户所分配的通信链路的信道属性，所述信道属性包括视距传输损耗，非视距传输损耗及其分别对应的概率。
优选地，所述无人机基站与用户的信道状态信息采用如下公式计算：
Figure BDA0002273177840000021
Figure BDA0002273177840000022
Figure BDA0002273177840000023
Figure BDA0002273177840000024
所述无人机基站到空中窃听节点的信道状态信息采用如下公式计算：
Figure BDA0002273177840000025
Figure BDA0002273177840000026
Figure BDA0002273177840000027
Figure BDA0002273177840000028
其中，
Figure BDA0002273177840000029
表示主信道的视距传输损耗,
Figure BDA00022731778400000210
表示非视距传输损耗；
Figure BDA00022731778400000211
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure BDA00022731778400000212
表示非视距传输损耗，
Figure BDA00022731778400000213
表示主信道的视距传播，
Figure BDA00022731778400000214
表示非视距传播的概率，
Figure BDA00022731778400000215
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure BDA00022731778400000216
表示非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，lsi为主信道每条链路对应传输距离，lse为窃听链路对应传输距离；ηLOS表示视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，ηNLOS表示非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗；asi和bsi分别表示主信道中与环境有关的常数，ase和bse分别表示窃听信道与环境有关的常数，并且都由建筑物的高度与密度决定；θsi表示无人机相对用户产生的俯仰角，θse表示无人机相对窃听节点产生的俯仰角，α为路径损耗因子。
优选地，所述用户的路径总损耗的方法为：
根据每个用户的位置及信道状态信息，计算通信过程中每条链路上各自产生的视距传播损耗和非视距传播损耗，从而获得无人机与用户通信过程中所产生的总损耗。
优选地，所述用户的路径总损耗采用如下公式计算：
Figure BDA0002273177840000031
所述窃听信道的路径损耗采用如下公式计算：
Figure BDA0002273177840000032
其中，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，
Figure BDA0002273177840000033
表示主信道的视距传输损耗,
Figure BDA0002273177840000034
表示主信道的非视距传输损耗；
Figure BDA0002273177840000035
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure BDA0002273177840000036
表示窃听信道的非视距传输损耗，
Figure BDA0002273177840000037
表示主信道的视距传播，
Figure BDA0002273177840000038
表示主信道的非视距传播的概率，
Figure BDA0002273177840000039
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure BDA00022731778400000310
表示窃听信道的非视距传播的概率。
优选地，所述安全容量的计算方法如下：
首先采用如下计算公式求出主信道的信噪比式和窃听信道信噪比：
Figure BDA00022731778400000311
Figure BDA00022731778400000312
将主信道的信噪比式和窃听信道信噪比代入以下公式求出主信道容量与窃听信道容量：
Csi＝log2(1+γsi)
Cse＝log2(1+γse)
将主信道容量与窃听信道容量相减得出安全容量表达式：
Figure BDA00022731778400000313
采用多用户调度准则公式选出接入用户:
Figure BDA0002273177840000041
其中，Pu表示无人机基站的发射功率，N0表示主信道的噪声功率，Ne表示窃听信道的噪声功率，hsi表示主信道的信道增益，hse表示窃听信道的信道增益，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，max表示最大化。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明所提出的基于多用户调度的无人机安全通信方法提高了系统安全容量，保障了应急场景下无人机作为临时基站与用户之间的通信安全，更符合实际应用情况，不仅如此，无人机作为基站具有成本低，可操作性高等优点。
附图说明
图1为本发明方法采用的系统模型图；
图2为本发明方法的基本流程图；
图3为功率对系统安全容量的影响。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图3所示，利用无人机作为飞行基站，提高现有无线网络的容量和覆盖范围，近年来引起了极大关注。无人机的一个关键特性是能与用户进行视距通信，这可能导致覆盖率和速率的提高。不仅如此，无人机作为基站具有成本低，可操作性高等优点。由于其灵活性和机动性高，无人机可以快速有效地部署蜂窝网络并提高其服务质量。一方面，可以部署基于无人机的空中基站，提高临时赛事或体育场馆、户外赛事等热点的无线容量和覆盖。另一方面，它们可用于公共安全方案，以支持救灾活动，并在常规地面网络受到破坏时使通讯成为可能；图1所示，公开了一种基于多用户调度的无人机安全通信方法，基于多用户调度的无人机安全通信方法，以一个无人机作为基站为地面多个用户提供网络覆盖，另一个无人机做窃听。在每个用户与基站距离确定且相互不同的条件下，计算每个主信道的路径损耗，根据多用户调度准则将用户位置和信道条件联合考虑以选取接入用户，最大化信道安全容量即主信道容量和窃听信道容量之差，由此保障无人机通信安全。如图2所示具体步骤如下：
步骤A，获得接入无人机基站网络的每个用户的位置及其信道状态信息；
Figure BDA0002273177840000051
Figure BDA0002273177840000052
Figure BDA0002273177840000053
Figure BDA0002273177840000054
Figure BDA0002273177840000055
Figure BDA0002273177840000056
Figure BDA0002273177840000057
Figure BDA0002273177840000058
其中，
Figure BDA0002273177840000059
表示主信道的视距传输损耗,
Figure BDA00022731778400000510
表示非视距传输损耗；
Figure BDA00022731778400000511
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure BDA00022731778400000512
表示非视距传输损耗，
Figure BDA00022731778400000513
表示主信道的视距传播，
Figure BDA00022731778400000514
表示非视距传播的概率，
Figure BDA00022731778400000515
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure BDA00022731778400000516
表示非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，lsi为主信道每条链路对应传输距离，lse为窃听链路对应传输距离；ηLOS表示视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，ηNLOS表示非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗；asi和bsi分别表示主信道中与环境有关的常数，ase和bse分别表示窃听信道与环境有关的常数，并且都由建筑物的高度与密度决定；θsi表示无人机相对用户产生的俯仰角，θse表示无人机相对窃听节点产生的俯仰角，α为路径损耗因子。
步骤B，获得无人机与用户通信过程中产生的总损耗的方法为：根据每个用户的位置及信道状态信息，计算通信过程中每条链路上各自产生的视距传播损耗和非视距传播损耗，进而获得无人机与用户通信过程中所产生的总损耗；计算窃听信道的路径总损耗，但窃听无人机位置信息对于主信道是未知的。
具体地，所述无人机与用户通信过程中所产生的总损耗与窃听信道的总损耗可分别根据如下公式得到：
Figure BDA0002273177840000061
Figure BDA0002273177840000062
其中，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，
Figure BDA0002273177840000063
表示主信道的视距传输损耗,
Figure BDA0002273177840000064
表示主信道的非视距传输损耗；
Figure BDA0002273177840000065
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure BDA0002273177840000066
表示窃听信道的非视距传输损耗，
Figure BDA0002273177840000067
表示主信道的视距传播，
Figure BDA0002273177840000068
表示主信道的非视距传播的概率，
Figure BDA0002273177840000069
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure BDA00022731778400000610
表示窃听信道的非视距传播的概率。
步骤C，根据多用户调度准则选出接入用户，使得安全容量即主信道容量与窃听信道容量之差最大。
具体地，主信道与窃听信道信噪比表达式：
Figure BDA00022731778400000611
Figure BDA00022731778400000612
主信道与窃听信道容量表达式：
Csi＝log2(1+γsi)
Cse＝log2(1+γse)
安全容量表达式：
Figure BDA0002273177840000071
根据多用户调度准则选出接入用户：
Figure BDA0002273177840000072
其中，Pu表示无人机基站的发射功率，N0表示主信道的噪声功率，Ne表示窃听信道的噪声功率，hsi表示主信道的信道增益，hse表示窃听信道的信道增益，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，max表示最大化。
下面给出计算机上利用MATLAB语言仿真实现发明的一个实例。仿真中以无人机给四个用户提供网络覆盖为例，如图3所示，给定无人机的总发射功率Pu，其中c为光速，取值为3×108m/s，f为载波频率，取值为2×109Hz，ηLOS取值为1dB,ηNLOS取值为20dB,a1取值为11.95dB，b1取值为0.136dB，a2取值为9.6dB，b2取值为0.28dB，飞行高度h为500m，空对空信道为视距链路，无人机基站覆盖半径为500m，用户1的坐标为(10，20，0)，用户2的坐标为(60，80，0)，用户3的坐标为(0，200，0)，用户4的坐标为(140，160，0)，窃听无人机位置信息对于主信道是未知的，所以在仿真中通过一个随机函数生成窃听链路的距离。由图可以看出，随着发射功率的增加，系统的安全容量越大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获得接入无人机网络的每个用户的位置及信道状态信息；
根据用户位置计算出用户的路径总损耗；
根据窃听链路距离计算窃听信道的路径总损耗；
通过用户的路径总损耗计算出主信道容量，通过窃听信道的路径总损耗计算出窃听信道容量；
根据主信道容量与窃听信道容量之差，采用多用户调度准则选出接入用户。
2.根据权利要求1所述的基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述方法还包括：获得接入无人机网络的信道状态信息，所述信道状态信息为无人机通信网络中无人机基站给用户所分配的通信链路的信道属性，所述信道属性包括视距传输损耗，非视距传输损耗及其分别对应的概率。
3.根据权利要求2所述的基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述无人机基站与用户的信道状态信息采用如下公式计算：
Figure FDA0002273177830000011
Figure FDA0002273177830000012
Figure FDA0002273177830000013
Figure FDA0002273177830000014
所述无人机基站到空中窃听节点的信道状态信息采用如下公式计算：
Figure FDA0002273177830000015
Figure FDA0002273177830000016
Figure FDA0002273177830000017
Figure FDA0002273177830000021
其中，表示主信道的视距传输损耗,
Figure FDA0002273177830000023
表示主信道的非视距传输损耗；
Figure FDA0002273177830000024
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure FDA0002273177830000025
表示窃听信道的非视距传输损耗，
Figure FDA0002273177830000026
表示主信道的视距传播，
Figure FDA0002273177830000027
表示主信道的非视距传播的概率，
Figure FDA0002273177830000028
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure FDA0002273177830000029
表示窃听信道的非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，lsi为主信道每条链路对应传输距离，lse为窃听链路对应传输距离；ηLOS表示视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，ηNLOS表示非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗；asi和bsi分别表示主信道中与环境有关的常数，ase和bse分别表示窃听信道与环境有关的常数，并且都由建筑物的高度与密度决定；θsi表示无人机相对用户产生的俯仰角，θse表示无人机相对窃听节点产生的俯仰角，α为路径损耗因子。
4.根据权利要求1所述的基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述用户的路径总损耗的方法为：
根据每个用户的位置及信道状态信息，计算通信过程中每条链路上各自产生的视距传播损耗和非视距传播损耗，从而获得无人机与用户通信过程中所产生的总损耗。
5.根据权利要求1所述的基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述用户的路径总损耗采用如下公式计算：
Figure FDA00022731778300000210
所述窃听信道的路径总损耗采用如下公式计算：
Figure FDA00022731778300000211
其中，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的路径损耗，
Figure FDA00022731778300000212
表示主信道的视距传输损耗,
Figure FDA00022731778300000213
表示主信道的非视距传输损耗；
Figure FDA00022731778300000214
表示窃听信道的视距传输损耗，
Figure FDA00022731778300000215
表示窃听信道的非视距传输损耗，
Figure FDA00022731778300000216
表示主信道的视距传播，
Figure FDA0002273177830000031
表示主信道的非视距传播的概率，
Figure FDA0002273177830000032
表示窃听信道的视距传播概率，
Figure FDA0002273177830000033
表示窃听信道的非视距传播的概率。
6.根据权利要求1所述的基于多用户调度的无人机安全通信方法，其特征在于，所述安全容量的计算方法如下：
首先采用如下计算公式求出主信道的信噪比和窃听信道信噪比：
Figure FDA0002273177830000034
Figure FDA0002273177830000035
将主信道的信噪比式和窃听信道信噪比代入以下公式求出主信道容量与窃听信道容量：
Csi＝log2(1+γsi)
Cse＝log2(1+γse)
将主信道容量与窃听信道容量相减得出安全容量表达式：
Figure FDA0002273177830000036
采用多用户调度准则公式选出接入用户：
Figure FDA0002273177830000037
其中，Pu表示无人机基站的发射功率，N0表示主信道的噪声功率，Ne表示窃听信道的噪声功率，hsi表示主信道的信道增益，hse表示窃听信道的信道增益，Lsi表示用户链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，Lse表示窃听链路由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，max表示最大化。
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