CN112954672B - 一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法，首先列出可移动无人机监听者对信源信号和中继信号的接收情况，找出最佳区分探测门限值，对信源或者中继是否进行信号传输进行准确率最高的判断。分析无人机监听者的悬浮位置，使得其对信源和中继是否传送信息的判断正确率的和最大化。之后，在此种对合法用户来说最恶劣的隐蔽通信形势下，信源端利用多天线信道预编码实现最大速率传输，中继端利用信号发射功率高斯化引入对监听者的干扰，对信源和中继的发射功率及有限字长的数目进行联合优化，实现有效信源信宿传输速率最大化。本发明能够实现在保证隐蔽通信中断概率不超过设定值的前提下，为信源信宿端有效传输速率最大化提供取值参考方法。

Description

一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法

技术领域

本发明属于无线通信网络用户信息安全技术领域，涉及一种发信者多天线和无人机中继高斯化发射信号功率来辅助对抗监听者的安全传输策略，具体是指发信者针对可移动的无人机监听者采取发信端多天线最大化速率传输辅助以无人机中继高斯化信号传输来实现远距离的隐蔽通信。通过联合优化发信者和中继处的有限长数据包和发射功率大小，从而在保证错误检测概率不小于某值的情况下最大化有效传输速率。

背景技术

由于无线通信与人类生活日益密切，无线信号的广播特性引起的信息安全问题也引起了广泛的关注。无线信号的广播特性使得信息更方便地进行广泛传输，但另一方面其也会导致信息的泄露。传统的信息安全保障策略大多是利用加密或者物理层安全来对无线信息的安全进行保证。隐蔽通信的出现史无前例地对无线信号进行了隐藏，因而引起了广泛的关注。

隐蔽通信通常是针对恶意监听者进行的隐蔽信息的隐藏。监听者监听其收到的无线信号，通过分析其幅值大小来决定发信者是否进行了信号传输。而发信者也可以通过利用信道衰减的随机性、引入噪声干扰等方式在监听者处引入不确定性，从而干扰监听者的决策判断。发信者通过在监听者处引入多种不确定性从而使得监听者在检测发信者是否进行信息发送的时候做出错误的判断来实现对隐蔽通信过程的隐藏。基于隐蔽通信基础研究平方根定律理论，很多学者开展了更具实际意义的场景研究。最初的研究多是无限包长的相关研究。然而，在物联网日益兴起的当下，短包通信具有很大的研究价值。在短包通信中，由于信息包长有限，因此在解码过程中不可避免会产生误码，误码概率为δ，进而会影响传输速率。

另一方面，无人机由于其具有高移动性和易部署性在无线通信中被广泛使用，尤其是军事部署和自然灾害应急通信场景中。无人机也可以纳入隐蔽通信中进行辅助通信。无人机的移动性和易部署性可以通过轨迹优化和功率管控等设计在隐蔽通信中用来提升隐蔽性。另外无人机和地面用户间的空地信道大概率是视距通信，视距通信具有较小的衰落，因而可以提升传输质量。然而，高质量视距通信也会被监听者所利用，从而使通信的隐蔽性受到威胁。

迄今为止的隐蔽通信大多是针对地面用户的短距离通信，且针对静态窃听者。当窃听者可以飞行的时候就可以利用更好的信道条件和更佳的监听位置进行探测，从而使隐蔽通信的隐蔽性大大被威胁。

本发明提出一种有限信息包长度下，针对可飞行的无人机窃听者而采取的无人机中继协同通信的多天线发信者远距离隐蔽通信的安排部署，以实现在保证隐蔽通信错误检测概率不低于门限值的情况下有效传输速率最大化的方法，具体方案如示意图1所示。多天线发信者通过无人机中继与收信者进行隐蔽通信。其中无人机监听者可以优化其最佳监听位置W、针对发信者的功率检测门限Γ_aw和针对无人机中继的功率检测门限Γ_uw。发信者通过联合优化其发射功率P_a和通信信号包长n₁、中继通过联合优化其发射功率方差值P和通信信号包长n₂来保证当监听者在其最佳位置以最佳检测门限进行监听的时候，保证窃听者错误检测概率不低于1-∈情况下，最大化有效传输速率η。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种利用多天线发信者最大化速率传输和无人机中继高斯化发送信号的协同合作的隐蔽通信方法，利用无人机作为中继辅助有限包长隐蔽通信、监听者可选择其飞行监听位置、多天线发信者采取最大速率传输波束成形技术、中继采取发送信号幅值高斯化。是一种新的远距离隐蔽通信部署实现策略来实现长距离情况下对用户的通信事实进行隐藏的方法，防止无人机监听者对其通信进行探测来进行隐蔽通信保护。在一个发信者M发射天线、单天线可移动无人机监听者、单天线半双工无人机中继和单天线接收者的网络中，得出窃听者在最佳监听位置和设定其检测门限为最佳值来构造最不利的隐蔽通信情景，在此情景下，联合优化P_a、n₁、P、n₂，来保证在最不利的条件下的监听者错误检测概率不低于∈，同时实现有效传输速率最大化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法，是一种针对具有可移的无人机监听者而采取的基于多天线和无人机中继辅助的长距离隐蔽通信方法，所述通信方法通过联合优化多天线发信端的发射功率P_a、发送信号包长n₁和无人机中继发送信号幅值方差P、发送信号包长n₂来实现防止被具有可移动性的无人机监听者检测到其隐蔽通信事实，并实现在保证其可以隐蔽通信的前提下实现连接有效传输速率η最大化。包括以下步骤：

第一步，进行以下设置：

(1)固定发信者a和接收者b的初始位置，则发信者a的位置为A(0,0，0)，发信者b的位置为B(x_b,0,0)。无人机监听者w的位置为W(x_w,0,z_w)，无人机中继u的位置为U(x_u,0,z_u)。

(2)定义au、ub间距离分别用r_au、r_ub表示。监听者w距离发信者a之间的距离d_aw需大于r_amin且小于r_amax，大于r_amin的目的是防止被发现，小于的目的是保证监听效果，其中，r_amin表示离a的最小距离，r_amax表示离a的最大距离。同样，监听者w与中继u之间的距离距离d_uw需大于r_umin并小于r_umax，其中，r_umin表示离u的最小距离，r_umax表示离u的最大距离。

(3)用户之间信道衰减服从瑞分布和大尺度衰落的叠加a_ijh_ij，其中i,j∈(a,u,w,b)，h_ij代表小尺度信道衰减系数，且h_ij服从标准正态分布；

其中d_ij、λ₀、η、α、β、θ_ij分别代表用户间的距离、视距信道1m处的功率衰减参数、非视距信道1m处的额外衰减参数、视距信道概率环境参数α、视距信道概率环境参数β、两个用户间仰角。

(4)发信端多天线采取编码矩阵为

以实现面向u最大速率传输，其中h_au代表a和u间的信道衰落，

代表向量h_au的共轭转置。

(5)发信者a的信息发送功率P_a不超过其上限功率P_amax，中继采用将接收信号以ζ转发，其中ζ服从复高斯分布方差为P。a发送信号使用包长为n₁，其最大可用包长为N₁；u发送信号使用包长为n₂，其最大可用包长为N₂。

(6)无人机监听者w在其探测位置W上，通过判断接收到的a信号功率T_aw和u的信号功率T_uw的大小来判断a和u是否发送信号：当信号功率T_aw和T_uw高于预先设定的探测功率的门限值Γ_aw和Γ_uw时，判定a和u发送信号，否则判定二者没有发信号。上述判断是否正确存在一定的概率，当w判断正确时会对通信双方进行干预，此时隐蔽通信被发现。其中，w正确判断的概率定义为隐蔽中断概率。通过分析隐蔽中断概率与W和Γ_aw、Γ_uw的单调性找出可以使最大化的最佳探测位置W^*和最佳探测功率的门限值

和

此时构成针对发信者和中继的最恶劣通信情况。

(7)在步骤(6)中构成的最恶劣通信状态下，通过合理安排发信者a的信息发送功率P_a、发送信息包长n₁和中继发射信号幅值方差大小P、发送信息包长n₂，使隐蔽传输有效传输速率η最大化，同时保证隐蔽通信错误检测概率不低于其上限值1-∈，其中∈表示通信方设定的隐蔽中断概率最大门限值。

所述隐蔽传输有效传输速率η是中继处信号包长n₁与传输速率R_au和接收者处信号包长 n₂与传输速率R_ub乘积的最小值，即η＝min(η_au,η_ub)。

第二步，根据第一步的发信者和无人机中继位置的具体设置，通过分别计算并分析隐蔽通信错误检测概率与W、Γ_aw和Γ_uw单调性的关系，来获取最佳探测功率的门限值

和

和最佳探测位置W^*，使监听者正确检测到发信者a和中继u是否发信息这一事实的概率最大化；其中针对发信者a的最佳检测功率门限值如公式(2)所示，针对中继u的最佳检测功率门限值如公式(3)所示，最佳探测地点如公式(4)所示：

W^*＝(r_amincosθ_anun,0,r_aminsinθ_anun). (4)

式中，

为监听者接收白噪声的方差，由通信双方具体的信道环境确定；θ_anun表示r_amin与r_umin交点与发信者a的仰角大小；a_aw表示发信者与无人机监听者间的大尺度衰落；a_uw表示无人机中继与无人机监听者间的大尺度衰落。

因此，当无人机监听者w在最佳探测位置W^*并以最佳探测功率的门限值

和

作为探测门限值，对其接收到的来自a和u的信号的功率大小进行判定，来决定a和u是否存在通信事实时，a和u端隐蔽通信错误检测概率

和

表示为如公式(5)和(6)所示：

其中，

代表相关熵；∈表示发射方设定的隐蔽通信中断概率最大值；

表示监听端对发信者的虚警误判概率；

表示监听端对发信者的漏检误判概率；n₁表示发信者使用的发送信息的包长；

表示监听端对无人机中继的虚警误判概率；

表示监听端对无人机中继的漏检误判概率；n₂表示无人机中继使用的发送信息的包长。

根据定义，发信者a与中继u间的有效传输速率η_au可表示成如公式(7)所示：

其中，

h_au表示发信者和无人机中继间的瑞利衰落；

表示中继处的噪声方差值；a_au表示发信者和无人机中继间的大尺度衰落系数；Q^-1(*)为逆Q-函数、δ是允许的解调误码率；γ_au表示无人机中继处的收到的发信者的信噪比。

中继u与接收者b间的有效传输速率η_ub可表示成如公式(8)所示：

其中，

ζ表示发信者端的信号放大系数；a_ub表示无人机中继和接收者间的大尺度衰落系数；h_ub无人机中继和接收者间的瑞利衰落；

表示接收者的噪声方差值。

根据公式(5)和公式(7)，可以得出P_a和n₁的最佳值如公式(9)所示：

其中，N₁表示发信者允许的最大数据包长度；

表示

的逆函数；

根据公式(6)和公式(8)，可以得出P和n₂的最佳值如公式(10)所示：

其中，N₂表示无人机中继允许的最大数据包长度；

表示

的逆函数；

本专利得出了发信者端最佳发射功率

和最佳数据包长

以及中继端最佳发射功率 P^*和最佳数据包长

并推导出了监听者针对发信者和无人机中继的联合最佳监听位置W^*和针对发信者的功率探测门限值

针对中继的功率探测门限值

使得隐蔽通信在保证隐蔽通信中断概率不超过预设值∈的前提下将隐蔽通信有效传输速率η进行了最大化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用无人机作为隐蔽通信中的中继，分析了多天线发信者最大速率传输和中继高斯化信号传输大小情况下的窃听者最佳联合监听位置，以及针对发信者和中继各自的最佳探测功率值，并在该种最恶劣的通信条件下给出发信者和中继的最佳信息包长度和发送信号功率大小的部署方案。本发明给出了如何设置发送信息包长度大小和发送信号功率大小的方法，为如何实现隐蔽通信并且实现有效传输速率最大化给出了参考取值方法。

附图说明

图1无人机中继辅助的面向无人机监听者的隐蔽通信网络示意图。

图2无人机监听者允许飞行的空间。

图3面向发信者的功率探测门限大小和发送信号功率对隐蔽通信错误检测概率的影响。

图4监听者不同位置对相关熵均值的影响。

图5监听者不同位置、发信者和中继不同信号功率大小对监听者最佳探测门限的影响。

图6发信者不同发射功率和信息包长对监听者处相关熵的影响。

图7不同错误解码率上限值下，发送信息包长对中继处有效传输速率的影响。

图8不同隐蔽通信错误检测概率门限值下，发信者发送信号大小对中继处有效传输速率的影响。

图9不同隐蔽通信错误检测概率门限值下，中继发送信息包长大小对接收者处有效传输速率的影响。

图10不同发送信息包长下，监听者隐蔽通信错误检测概率门限值大小对中继处有效传输速率和传输速率大小的影响。

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。

为了更好的理解上述技术方案，以下结合附图以及具体的实施方式，给出具体分析。

一种针对无人机可飞行监听者而采取的基于多天线和无人机中继辅助得的长距离隐蔽通信方法，该方法首先列出可移动无人机监听者对信源信号和中继信号的接收情况，通过分析其在信源或中继在传输信息和空闲状态的接收机收到信号的功率值，找出最佳区分探测门限值从而对信源或者中继是否进行信号传输进行准确率最高的判断；在此基础上，对无人机监听者的悬浮位置进行分析，使得其对信源和中继是否传送信息的判断正确率的和最大化。之后，在此种对合法用户来说最恶劣的隐蔽通信形势下，信源端利用多天线信道预编码实现最大速率传输，中继端利用信号发射功率高斯化引入对监听者的干扰，从而实现对信源和中继的发射功率以及有限字长的数目进行联合优化实现有效信源信宿传输速率最大化。

所述通信方法通过联合优化多天线发信者的发射功率P_a、发送信号包长n₁和中继处得发射信号功率方差P、发送信号包长n₂来实现防止被无人机监听者探测到的隐蔽通信，并实现在保证其可以隐蔽通信的前提下实现有效隐蔽传输速率η最大化。包括以下步骤：

第一步，进行以下具体设置：

1)发信者a、中继无人机u和接收者b初始位置固定，分别为发信者A(0,0,0)、中继U(200,0,150)和接收者B(400,0,0)；

2)监听者w距a和u最近的半径r_amin＝r_umin＝250m，最远的半径为r_amax＝r_umax＝350，发信者天线数目M＝8,视距、非视距通信和大尺度衰落参数设置为：λ₀＝-20dB、η＝-10dB、α＝4.88、β＝0.429、ξ_L＝-2、ξ_N＝-3；

第二步，对w在不同位置点进行监听时，Γ_aw，Γ_uw，W，P_a/P_b设置对的影响进行分析：

首先，图3中将本发明中的结论不同的Γ_aw值会造成不同的错误检测概率值进行了分析验证，同时也对不同发信者发送功率P_a＝0.01W、P_a＝0.02W、P_a＝0.03W、P_a＝0.04W进行了对比。从图2中我们可以看出，同一位置点时随着Γ_aw的增大，

先减小后增大，因而每个位置点存在一个最佳检测功率门限值Γ^*。另外，从图3也可以看出W不同会对相关熵均值

产生影响，因此我们在图3中对不同W对隐蔽相关熵均值的影响进行探究,其中，Γ_aw和Γ_uw的值按公式(2)和(3)进行设置。从图3中可以看出，当监听者在其允许飞行范围时，所对应的

不同，并且存在最优监听点，且图中所示的W符合公式(4)所示结果。

接下来，图5分析了监听者不同位置下P_a对

的影响和P对

的影响，实验中对比了窃听者在三组不同位置时P_a和P对其对应最佳探测功率门限值的影响。从图中数据可以看出，发射功率的增大，

和

单调递增，这是因为当信源的发射功率增大时候，对于监听者来说二者进行通信的这一事实是更容易被发现的，因而对于a和u来说可通过尽量降低P_a和P 比值来降低其被发现的风险。

第三步，当w在W^*(-30,0,249)处并将Γ_aw根据公式(2)设为对应的值时，P_a和n₁对

的影响分析：

图6可以看出，随着发信者发射功率增大，监听者处的

也增大；发信者发送信号包长n₁也会使监听者的

增大。这是由于当发射功率增大或者传输的信号包长增加的时候给了监听者更多的信息，信号强度会增加，与周遭环境差距增大更便于做出正确判断。

第四步，将W^*(-30,0,249)按照(4)、Γ_aw按照(2)、Γ_uw按照(3)进行设置，分析n₁、δ、N₂、P_a和∈对有效传输速率η_au和η_ub的影响：

图7分析了不同δ情况下，n₁的增长对η_au的影响。图7可以看出，随着n₁增大而增大，随着δ增大而减小。

图8分析了P_a和∈对η_au的影响。从图中可以看出，随着P_a的增大，η_au也增加；另外随着允许的被检测到的概率∈增加,最大允许的P_a也增加，进而有效传输速率η_au也增加。

图9对允许的被检测到的概率∈和中继最大允许使用的传输信号包长N₂对η_ub的影响进行了探究。从图中我们可以看出，随着N₂增加，η_ub会增加。另外，允许的被正确检测到的概率∈的增加也会使得中继的有效传输速率η_ub增加。这是因为当∈增加的时候，可允许的传输信号功率P也会增加，因此传输速率会增大，进而η_ub会增大。

最后，在图10中对通信过程中∈对发信者与中继间的有效传输速率η_au和信道最大传输速率R的影响进行了探究。从图中可以看出，随着∈的增加，η_au和R都会先增加，最终趋于平稳。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法，其特征在于，所述通信方法通过联合优化多天线发信端的发射功率P_a、发送信号包长n₁和无人机中继发送信号幅值方差P、发送信号包长n₂来实现防止被具有可移动性的无人机监听者检测到其隐蔽通信事实，并实现在保证其可以隐蔽通信的前提下实现连接有效传输速率η最大化；包括以下步骤：

第一步，进行以下设置：

(1)固定发信者a和接收者b的初始位置，则发信者a的位置为A(0,0，0)，发信者b的位置为B(x_b,0,0)；无人机监听者w的位置为W(x_w,0,z_w)，无人机中继u的位置为U(x_u,0,z_u)；

(2)定义au、ub间距离分别用r_au、r_ub表示；监听者w距离发信者a之间的距离d_aw大于r_amin且小于r_amax，其中，r_amin表示离a的最小距离，r_amax表示离a的最大距离；同样，监听者w与中继u之间的距离距离d_uw大于r_umin并小于r_umax，其中，r_umin表示离u的最小距离，r_umax表示离u的最大距离；

(3)用户之间信道衰减服从瑞利分布和大尺度衰落的叠加a_ijh_ij，其中i,j∈(a,u,w,b)，h_ij代表小尺度信道衰减系数，且h_ij服从标准正态分布；

其中d_ij、λ₀、η、α、β、θ_ij分别代表用户间的距离、视距信道1m处的功率衰减参数、非视距信道1m处的额外衰减参数、视距信道概率环境参数α、视距信道概率环境参数β、两个用户间仰角；

(4)发信端多天线采取编码矩阵为

以实现面向u最大速率传输，其中h_au代表a和u间的信道衰落，

代表向量h_au的共轭转置；

(5)发信者a的信息发送功率P_a不超过其上限功率P_amax，中继采用将接收信号以ζ转发，其中ζ服从复高斯分布方差为P；a发送信号使用包长为n₁，其最大可用包长为N₁；u发送信号使用包长为n₂，其最大可用包长为N₂；

(6)无人机监听者w在其探测位置W上，通过判断接收到的a信号功率T_aw和u的信号功率T_uw的大小来判断a和u是否发送信号：当信号功率T_aw和T_uw高于预先设定的探测功率的门限值Γ_aw和Γ_uw时，判定a和u发送信号，否则判定二者没有发信号；上述判断是否正确存在概率，当w判断正确时会对通信双方进行干预，此时隐蔽通信被发现；其中，w正确判断的概率定义为隐蔽中断概率；通过分析隐蔽中断概率与W和Γ_aw、Γ_uw的单调性找出可以使最大化的最佳探测位置W^*和最佳探测功率的门限值

和

此时构成针对发信者和中继的最恶劣通信情况；

(7)在步骤(6)中构成的最恶劣通信状态下，通过合理安排发信者a的信息发送功率P_a、发送信息包长n₁和中继发射信号幅值方差大小P、发送信息包长n₂，使隐蔽传输有效传输速率η最大化，同时保证隐蔽通信错误检测概率不低于其上限值1-∈，其中∈表示通信方设定的隐蔽中断概率最大门限值；

第二步，根据第一步的发信者和无人机中继位置的具体设置，通过分别计算并分析隐蔽通信错误检测概率与W、Γ_aw和Γ_uw单调性的关系，获取最佳探测功率的门限值

和

和最佳探测位置W^*，使监听者正确检测到发信者a和中继u是否发信息这一事实的概率最大化；其中针对发信者a的最佳检测功率门限值如公式(2)所示，针对中继u的最佳检测功率门限值如公式(3)所示，最佳探测地点如公式(4)所示：

W^*＝(r_amincosθ_anun,0,r_aminsinθ_anun). (4)

式中，

为监听者接收白噪声的方差，由通信双方具体的信道环境确定；θ_anun表示r_amin与r_umin交点与发信者a的仰角大小；a_aw表示发信者与无人机监听者间的大尺度衰落；a_uw表示无人机中继与无人机监听者间的大尺度衰落；

因此，当无人机监听者w在最佳探测位置W^*并以最佳探测功率的门限值

和

作为探测门限值，对其接收到的来自a和u的信号的功率大小进行判定，决定a和u是否存在通信事实时，a和u端隐蔽通信错误检测概率

和

表示为如公式(5)和(6)所示：

其中，

代表相关熵；∈表示发射方设定的隐蔽通信中断概率最大值；

表示监听端对发信者的虚警误判概率；

表示监听端对发信者的漏检误判概率；n₁表示发信者使用的发送信息的包长；

表示监听端对无人机中继的虚警误判概率；

表示监听端对无人机中继的漏检误判概率；n₂表示无人机中继使用的发送信息的包长；

根据定义，发信者a与中继u间的有效传输速率η_au表示成如公式(7)所示：

其中，

h_au表示发信者和无人机中继间的瑞利衰落；

表示中继处的噪声方差值；a_au表示发信者和无人机中继间的大尺度衰落系数；Q^-1(*)为逆Q-函数、δ是允许的解调误码率；γ_au表示无人机中继处的收到的发信者的信噪比；

根据定义，中继u与接收者b间的有效传输速率η_ub表示成如公式(8)所示：

其中，

ζ表示发信者端的信号放大系数；a_ub表示无人机中继和接收者间的大尺度衰落系数；h_ub无人机中继和接收者间的瑞利衰落；

表示接收者的噪声方差值；

根据公式(5)和公式(7)得出P_a和n₁的最佳值，如公式(9)所示：

其中，N₁表示发信者允许的最大数据包长度；

表示

的逆函数；

根据公式(6)和公式(8)得出P和n₂的最佳值，如公式(10)所示：

其中，N₂表示无人机中继允许的最大数据包长度；

表示

的逆函数。

2.根据权利要求1所述的一种针对可飞行监听者的无人机中继隐蔽通信方法，其特征在于，第一步所述步骤(7)中所述隐蔽传输有效传输速率η是中继处信号包长n₁与传输速率R_au和接收者处信号包长n₂与传输速率R_ub乘积的最小值，即η＝min(η_au,η_ub)。

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