CN112311434B - 基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法 - Google Patents

基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，属于通信抗干扰技术领域。所述方法包括：1)低轨卫星U通过多组多播的方式以合适的波束权重值向无人机组发送卫星信号；2)遍历各无人机组，存在干扰时，无人机组接收卫星信号时，判断组内无人机是中继还是受扰无人机；3)遍历各无人机组，在组内中继无人机协同下，以协同的波束权重值向组内受扰无人机通过解码转发的方式转发2)中该无人机组接收到的信号；4)组内无人机成功接收并解码卫星信号后，与各自无人机覆盖范围内的地面无人机节点通信。所述方法能在有干扰攻击下整体提高无人机组的抗干扰能力及无人机网络的频带利用率。

Description

基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法
技术领域
本发明涉及基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，属于通信抗干扰技术领域。
背景技术
随着卫星通信和移动通信技术的不断进步，无人机网络的构建成为当下一个研究热点。当前针对无人机通信的研究，主要集中在无人机作为辅助或替代基站提供通信服务比如灾后重建过程中，灾区内基站受损严重无法提供通信服务时无人机可暂时替代基站提供通信服务，无人机作为中继实现无公网覆盖区域内数据的传送比如利用无人机中继系统采集青藏高原等地环境监测设备的数据，或者无人机群的高效组网、通信等。除了无人机通信方面，还有针对无人机本身的自主控制与导航、轨迹规划等方面的研究，但很少有结合中继与波束赋形两种思路来研究关于无人机抗干扰的问题，尤其是在空天地网络中。在空天地网络中，结合卫星通信和移动通信技术，可以实现无人机与卫星以及地面节点的通信这样一个三层的异构网络，在此通信模式下，利用无人机本身作为中继并通过设计合理的波束权重值进而实现无人机抗干扰攻击方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有空天地网络中无人机网络抗干扰方法中没有充分利用无人机协同合作的优势，提出了基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法。此方法通过选择适当的无人机中继节点和设计合适的波束权重，使得无人机在遭受干扰攻击时依旧能够正常接收到卫星信号并于地面节点进行通信，从而提高无人机网络的通信效率。
本发明的目的是通过如下方案实现的：
所述空天地网络无人机抗干扰攻击方法依托的空天地网络系统，包括：
D根天线的低轨卫星U、无人机组、地面无人机用户节点、高轨卫星和地面卫星用户节点；
其中，无人机组的数量为G，且每组内无人机的数量为Gi，每个无人机均配置单天线；
所述空天地网络系统中各部分的连接关系是：
低轨卫星U与无人机组连接，同组内的无人机相互连接，无人机组与各自覆盖范围内的地面无人机用户节点连接，高轨卫星与地面卫星用户节点连接；“高轨卫星与地面卫星用户节点”之间的连接与“低轨卫星U与无人机组”之间的连接是相互独立的；
所述空天地网络系统中各部分的功能是：
D根天线的低轨卫星U与无人机组通过多组多播的方式进行通信；同组内的无人机可以相互进行通信，无人机组与其覆盖范围内的地面无人机节点进行通信，高轨卫星直接与覆盖范围内的地面卫星节点进行双向通信；其中，同组无人机所接收的卫星信号相同；
所述空天地网络无人机抗干扰攻击方法，包括如下步骤：
步骤1：低轨卫星U通过多组多播的方式以合适的波束权重值向无人机组发送卫星信号，根据无人机组接收到的信号，计算各个无人机组中的无人机接收信号时的信干噪比值和频带利用率值；
其中，无人机组的数量为G；低轨卫星U发送卫星信号时，合适的波束权重值通过解决以最大化最小的无人机接收信干噪比值为目标函数，以低轨卫星发射功率小于等于总发射功率为约束构造优化问题①来确定；
步骤2：遍历各无人机组，通过判断组内无人机接收低轨卫星信号时的信干噪比值来判定其是否成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，判断该组内无人机是中继还是受扰无人机，具体为：若该组内无人机接收信号时的信干噪比小于阈值，则判定该组内无人机未成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，此时该组内无人机为受扰无人机，将其在步骤1中计算得到的频带利用率值设为0；否则，若无人机接收信号时的信干噪比大于等于阈值，则判定此无人机已成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，此组内无人机为中继无人机，其在步骤1中计算得到的频带利用率值保持不变；
步骤3：遍历各无人机组，在组内中继无人机协同下，以协同的波束权重值向组内受扰无人机通过解码转发的方式转发步骤1中该无人机组接收到的低轨卫星U发送的信号，并计算该组内受扰无人机接收信号时的频带利用率值；
其中，中继无人机向组内受扰无人机发送信号时，协同的波束权重值通过解决以最大化最小的受扰无人机接收信干噪比值为目标函数，中继无人机发射功率小于等于无人机总发射功率为约束构造的优化问题②来确定；
步骤4：组内无人机成功接收并解码卫星信号后，与各自无人机覆盖范围内的地面无人机节点通信；
其中，组内无人机包括组内中继无人机和组内受扰无人机，卫星信号是指低轨卫星U发送的信号；
至此，从步骤1到步骤4，实现了基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法。
有益效果：
本发明所述的基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明公开的一种在空天地网络中基于中继和波束赋形的无人机抗干扰攻击的方法，通过设计合适的卫星波束权重和中继无人机波束权重值，能够整体提高无人机网络的频带利用率；
2.本发明公开的一种在空天地网络中基于中继和波束赋形的无人机抗干扰攻击的方法，通过同组无人机中继的方式可以在有干扰攻击的情况下明显提高无人机组的整体抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明“基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法”实施例1中依托的系统模型示意图；
图2为“本发明基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法”发明内容中步骤Ⅰ优化问题①即实施例2中阐述的优化问题的求解流程示意图；
图3为本发明“基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法“发明内容中步骤Ⅲ优化问题②即实施例3中阐述的优化问题的求解流程示意图；
图4为本发明“基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法”结合实施例1、2、3，在相同干扰环境下没有中继无人机和存在中继无人机转发卫星信号时各无人机的频带利用率值的对比仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，具体实施形式并不局限于此。
实施例1
本实施例结合附图1详细阐述了本发明“基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法“在存在组间干扰、干扰机、地面卫星节点干扰的情况下具体实施的过程。
实施例1中所用到的符号及其含义如下表1所示。
表1符号及对应的含义
Figure BDA0002732329090000031
Figure BDA0002732329090000041
如图1所示的通信环境中，高轨卫星与地面卫星用户节点进行通信，低轨卫星U与无人机组进行通信。无人机在接收低轨卫星信号的同时也会受到干扰机发出的干扰信号、低轨卫星U发给其他组无人机的组间干扰信号、地面卫星用户节点的干扰信号以及高斯白噪声。无人机在接收到低轨卫星信号之后再与其覆盖范围内的地面无人机用户节点进行通信。
基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法具体步骤如下：
步骤I：配备D根天线的低轨卫星U通过多组多播的方式向无人机组发送卫星信号，低轨卫星U发送给第i组无人机的卫星信号为xi；
其中，无人机组的数量为G＝2；
遍历各无人机组，第i组第j个无人机在接收低轨卫星信号xi时，也收到低轨卫星U发送给第w(w≠i)组无人机的组间信号干扰、干扰机的干扰、地面卫星用户节点对无人机的干扰以及高斯白噪声，因此第i组第j个无人机收到的信号如公式(1)所示：
Figure BDA0002732329090000042
公式(1)中等号左边yi，j表示第i组的第j个无人机收到的信号，等号右边
Figure BDA0002732329090000043
无人机接收到的低轨卫星U发送给第i组无人机的卫星信号，
Figure BDA0002732329090000044
表示第w组无人机在接收卫星信号时对第i组无人机造成的组间干扰，
Figure BDA0002732329090000045
表示第j个无人机接收到的干扰机发送的干扰信号，
Figure BDA0002732329090000046
表示地面卫星用户节点对无人机造成的干扰，nj表示高斯白噪声，G表示无人机组的集合，Gi表示第i组无人机的集合。
因此，由公式(1)可得第i组第j个无人机接收信号的信干噪比SINR如公式(2)所示：
Figure BDA0002732329090000051
公式(2)中等号左边表示第i组第j个无人机接收信号的信干噪比SINR，等号右边分子上
Figure BDA0002732329090000052
表示第i组第j个无人机接收的低轨卫星U发送的有用信号功率值，分母则为干扰信号，其中
Figure BDA0002732329090000053
表示第i组无人机收到的组间干扰信号功率值，Pm|Jaj|2为第i组无人机接收到干扰机发送的干扰信号功率值，PG|JGj|2为地面卫星节点对第j个无人机造成的干扰，
Figure BDA0002732329090000054
表示白高斯噪声的功率值，G表示无人机组的集合，Gi表示第i组无人机的集合。
其中，低轨卫星U的波束权重值s通过解决如公式(3)所示的优化问题来确定，公式(3)所示优化问题的具体求解步骤见实施例2。
Figure BDA0002732329090000055
Figure BDA0002732329090000056
公式(3)所示的优化问题，其优化目标为通过调整卫星波束权重参数s来最大化最小的无人机信干噪比值γi，j，约束条件表示配备D根天线的低轨卫星U对无人机组的总发射功率
Figure BDA0002732329090000057
小于等于其最大发射功率P0。
根据公式(2)可以计算得知第i组第j个无人机接收信号的频带利用率Ci，j如公式(4)所示：
Ci，j＝log2(1+γi，j)，i∈G，j∈Gi (4)
公式(4)中等号左边Ci，j表示第i组第j个无人机的频带利用率，等号右边log2(1+γi，j)为最大可达速率Blog2(1+γi，j)除以带宽B得到的频带利用率，G表示无人机组的集合，Gi表示第i组无人机的集合。
步骤II：遍历各无人机组，通过判断第i组第j个无人机接收卫星信号时的信干噪比值γi，j i∈G，j∈Gi大小来判定其是否成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，判断第i组第j个无人机是中继还是受扰无人机，具体为：若第i组第j个无人机的接收信号时的信干噪比值γi，j小于阈值SINRr，则判定此无人机未成功接收低轨卫星U发送的信号，此无人机是受扰无人机，且令频带利用率值Ci，j＝0；否则，信干噪比值γi，j大于阈值SINRr，则判定第j个无人机已成功接收低轨卫星U发送的信号，此无人机是中继无人机，步骤2中计算得到的频带利用率值Ci，j保持不变。
步骤III：同细的中继无人机协同向同细内的受扰无人机通过解码转发的方式向受扰无人机转发步骤2中接收到的卫星信号，此时第k个受扰无人机接收中继无人机转发的卫星信号如公式(5)所示：
Figure BDA0002732329090000061
公式(5)中等号左边
Figure BDA0002732329090000062
表示第i组第k个受扰无人机收到同组中继无人机发送的信号，等号右边
Figure BDA0002732329090000063
表示第i组内的中继无人机发送给第k个受扰无人机的卫星信号，
Figure BDA0002732329090000064
表示第w(w≠i)组中继无人机在转发卫星信号时对第i组第k个受扰无人机造成的组间干扰，
Figure BDA0002732329090000065
表示地面卫星节点对第k个受扰无人机造成的干扰，nk表示高斯白噪声，G表示无人机组的集合，UVi表示第i组受扰无人机的集合。
因此，由公式(5)可得第i组第k个受扰无人机接收信号的信干噪比SINR如公式(6)所示：
Figure BDA0002732329090000066
公式(6)中等号左边表示第i组第k个受扰无人机接收信号的信干噪比SINR，等号右边分子上
Figure BDA0002732329090000067
表示第i组第k个受扰无人机接收的同组中继无人机发送的有用信号功率值，分母则为干扰信号，其中
Figure BDA0002732329090000068
表示表示第w(w≠i)组中继无人机在转发卫星信号时对第i组第k个受扰无人机造成的组间干扰，
Figure BDA0002732329090000069
表示地面卫星节点对第k个受扰无人机造成的干扰，
Figure BDA00027323290900000610
表示白高斯噪声的功率值，G表示无人机组的集合，UVi表示第i组受扰无人机的集合。
其中，中继无人机的协同波束权重值u通过解决如公式(7)所示的优化问题来确定，具体操作见实施例3。
Figure BDA00027323290900000611
Figure BDA00027323290900000612
公式(7)所示的优化问题，其优化目标是通过调整协同波束权重参数u来最大化最小的受扰无人机的信干噪比值
Figure BDA00027323290900000613
约束条件表示第i组第j个中继无人机的发射功率
Figure BDA00027323290900000614
Figure BDA00027323290900000615
小于等于其最大发射功率Pi，j。
根据公式(6)可以计算得知第i组第j个无人机接收信号的频带利用率Ci，j如公式(8)所示：
Figure BDA00027323290900000616
公式(8)中等号左边
Figure BDA00027323290900000617
表示第i组第k个受扰无人机的频带利用率，等号右边
Figure BDA00027323290900000618
为最大可达速率
Figure BDA00027323290900000619
涂以带宽B得到的频带利用率，G表示无人机组的集合，UVi表示第i组受扰无人机的集合。
步骤IV：同组内的所有无人机接收并解码卫星信号后，与其各自覆盖范围内的地面无人机用户节点进行通信。
实施例2
本实施例结合附图2阐述了实施例1中公式(3)所示优化问题的具体求解过程，如流程图2所示，具体步骤为：
步骤(1)：用Γi，j等效替换公式(3)所示优化问题中的目标函数
Figure BDA0002732329090000071
增加新约束γi，j≥Γi，j，
Figure BDA0002732329090000072
步骤(2)：根据公式(2)对步骤(1)中的新增约束γi，j≥Γi，j进行近似，近似后的表达式如公式(9)所示：
Figure BDA0002732329090000073
公式(9)中，s＝[s1，s2，......，sG]为1×(D×G)的复向量，s(i)为参数s的第a次迭代结果，h＝[hi，hi，......，hi]为1×(D×G)的复向量，
Figure BDA0002732329090000074
为参数Γi，j的第a次迭代结果。
令
Figure BDA0002732329090000075
根据公式(9)的近似结果，公式(3)所示的优化问题可以为转换公式(10)的形式：
Figure BDA0002732329090000076
Figure BDA0002732329090000077
Figure BDA0002732329090000078
步骤(3)：设置迭代次数初值a＝0，迭代次数最大值amax。初始化s(a)，
Figure BDA0002732329090000079
的值并代入公式(10)所示的优化问题。
步骤(4)：求解问题(11)得到结果s，Γi，j。
步骤(5)：令迭代次数加1即a＝a+1，更新s(a)＝s，
Figure BDA00027323290900000710
步骤(6)：判断迭代次数a是否达到最大值或得到的目标函数值是否满足
Figure BDA00027323290900000711
Figure BDA00027323290900000712
Figure BDA00027323290900000713
为第a次迭代得到的目标函数值，
Figure BDA00027323290900000714
为第a-1次迭代得到的目标函数值，根据条件决定是否完成优化问题的求解，具体为：
步骤(6).a：若是，则保存第a次迭代求得的卫星波束权重值s(a)，公式(10)所示的优化问题求解结束。
步骤(6).b：若否，将s(a)＝s，
Figure BDA0002732329090000081
代入公式(10)，跳至步骤(4)。
实施例3
本实施例结合附图3阐述了实施例1中公式(7)所示的优化问题具体求解过程，求解过程如流程图3所示，另结合附图4，针对有无中继无人机转发卫星信号的情况对各个无人机的频带利用率进行了对比分析，对比仿真示意图如图4所示。
实施例1中公式(7)所示优化问题的求解具体步骤为：
步骤A：用
Figure BDA0002732329090000082
等效替换目标函数
Figure BDA0002732329090000083
增加新约束
Figure BDA0002732329090000084
步骤B：根据公式(6)对步骤A中的新增约束
Figure BDA0002732329090000085
进行近似，近似后的表达式如公式(11)所示：
Figure BDA0002732329090000086
公式(11)中，
Figure BDA0002732329090000087
为1×(URi×UVi)的复向量，u(b)为参数u的第b次迭代结果，g＝[gik，gik，......，gik]为1×(URi×UVi)的复向量，
Figure BDA0002732329090000088
为参数Γi，k的第b次迭代结果。
令
Figure BDA0002732329090000089
根据公式(11)的近似结果，公式(6)所示的优化问题可以转换公式(12)的形式：
Figure BDA00027323290900000810
Figure BDA00027323290900000811
Figure BDA00027323290900000812
步骤C：设置迭代次数b＝0，迭代次数最大值bmax。初始化u(b)，
Figure BDA00027323290900000813
的值并代入优化问题(12)。
步骤D：求解公式(12)所示的优化问题得到结果u，
Figure BDA00027323290900000814
步骤E：令迭代次数加1即b＝b+1，更新u(b)＝u，
Figure BDA00027323290900000815
步骤F：判断迭代次数b是否达到最大值或得到的目标函数值满足
Figure BDA0002732329090000091
Figure BDA0002732329090000092
为第b次迭代得到的目标函数值，
Figure BDA0002732329090000093
为第b-1次迭代得到的目标函数值，根据条件决定是否完成优化问题的求解，具体为：
步骤F.1：若是，则保存第b次迭代求得的中继无人机波束权重值u(b)，公式(12)所示的优化问题求解结束。
步骤F.2：若否，将u(b)＝u，
Figure BDA0002732329090000094
代入公式(12)所示的优化问题，跳至步骤(D)。
图4是各组内无人机的频带利用率值Ci，j的累积分布图，图中对在相同干扰环境中有无中继无人机转发卫星信号时对各个无人机的频带利用率进行了比较。图4中，横轴表示频带利用率，单位是bits/s/Hz；纵轴表示概率，其范围是[0，1]；圆划线，即没有中继无人机存在时的无人机频带利用率Ci，j的累积分布；星划线，即存在中继无人机向受扰无人机转发卫星信号时的无人机频带利用率Ci，j的累积分布。
从图4可以明显看出，在相同的干扰环境中，没有中继无人机转发卫星信号时，约有19.23％的无人机因受到干扰的情况较严重无法成功接收并解码卫星信号，在此情况下，无人机的最大频谱利用率约为4.47bits/s/Hz；而存在中继无人机向受扰无人机转发卫星信号时，受扰无人机成功接收并解码了卫星信号，实现了100％无人机成功接收并解码了卫星信号，在此情况下，无人机最大的频谱利用率为9.43bits/s/Hz，约提升了210.96％。通过采用中继无人机转发卫星信号的方式，明显提高了无人机组的抗干扰能力，通过设计卫星波束权重参数和协同中继无人机波束权重参数，大大提高了无人机接收卫星信号时的频谱利用率。
需要说明的是，本说明书所述的只是本发明的较佳实施例，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，其特征在于：依托的空天地网络系统，包括：
D根天线的低轨卫星U、无人机组、地面无人机用户节点、高轨卫星和地面卫星用户节点；
其中，无人机组的数量为G，且每组内无人机的数量为Gi，每个无人机均配置单天线；
所述空天地网络系统中各部分的连接关系是：
低轨卫星U与无人机组连接，同组内的无人机相互连接，无人机组与各自覆盖范围内的地面无人机用户节点连接，高轨卫星与地面卫星用户节点连接；“高轨卫星与地面卫星用户节点”之间的连接与“低轨卫星U与无人机组”之间的连接是相互独立的；
所述空天地网络系统中各部分的功能是：
D根天线的低轨卫星U与无人机组通过多组多播的方式进行通信；同组内的无人机可以相互进行通信，无人机组与其覆盖范围内的地面无人机节点进行通信，高轨卫星直接与覆盖范围内的地面卫星节点进行双向通信；其中，同组无人机所接收的卫星信号相同；
所述空天地网络无人机抗干扰攻击方法，包括如下步骤：
步骤1：低轨卫星U通过多组多播的方式以合适的波束权重值向无人机组发送卫星信号，根据无人机组接收到的信号，计算各个无人机组中的无人机接收信号时的信干噪比值和频带利用率值；
步骤2：遍历各无人机组，通过判断组内无人机接收低轨卫星信号时的信干噪比值来判定其是否成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，判断该组内无人机是中继还是受扰无人机，具体为：若该组内无人机接收信号时的信干噪比小于阈值，则判定该组内无人机未成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，此时该组内无人机为受扰无人机，将其在步骤1中计算得到的频带利用率值设为0；否则，若无人机接收信号时的信干噪比大于等于阈值，则判定此无人机已成功接收并解码低轨卫星U发送的信号，此组内无人机为中继无人机，其在步骤1中计算得到的频带利用率值保持不变；
步骤3：遍历各无人机组，在组内中继无人机协同下，以协同的波束权重值向组内受扰无人机通过解码转发的方式转发步骤1中该无人机组接收到的低轨卫星U发送的信号，并计算该组内受扰无人机接收信号时的频带利用率值；
步骤4：组内无人机成功接收并解码卫星信号后，与各自无人机覆盖范围内的地面无人机节点通信。
2.根据权利要求1所述的基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，其特征在于：步骤1中，低轨卫星U发送卫星信号时，合适的波束权重值通过解决以最大化最小的无人机接收信干噪比值为目标函数，以低轨卫星发射功率小于等于总发射功率为约束构造优化问题①来确定。
3.根据权利要求1所述的基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，其特征在于：步骤3中，中继无人机向组内受扰无人机发送信号时，协同的波束权重值通过解决以最大化最小的受扰无人机接收信干噪比值为目标函数，中继无人机发射功率小于等于无人机总发射功率为约束构造的优化问题②来确定。
4.根据权利要求1所述的基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，其特征在于：步骤4中，组内无人机包括组内中继无人机和组内受扰无人机，卫星信号是指低轨卫星U发送的信号。
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