CN113422634A - 一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法 - Google Patents

一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其包括：以毫米波全双工无人机中继通信系统的安全能效为优化指标，构建无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题；利用交替迭代法将联合优化问题分解为波束成形优化问题和无人机位置优化问题；利用连续凸近似和惩罚函数分别将波束成形优化问题和无人机位置优化问题转化成凸优化问题；利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解，获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置。本发明能够实现毫米波全双工无人机中继系统高能效的保密传输，并达到保密性能和能效性能的最佳平衡。

Description

一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输 方法
技术领域
本发明涉及一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，属于无人机通信技术领域。
背景技术
近十几年来，在国家的大力支持下，我国无人机平台技术得到迅猛发展。无人机作为通信平台具有机动性好、部署控制快速灵活、高空作业覆盖范围大和通信设备更新方便等独特优势，已在战场侦察、交通监控、环境监测等众多领域显示了广阔的应用前景。然而，随着视频监测等无人机应用的增加，无人机载荷受限以及频谱资源紧张等问题日益显现，对其设备高载重比和通信高容量均提出了更高的要求。随着5G毫米波技术的发展，将尺寸更小、频率更高的毫米波设备应用于无人机通信系统为解决上述问题提供了可行方案，一方面，毫米波信号短波长的特性有利于在无人机上实现更多天线阵列的封装，解决无人机体积和重量受限的问题；另一方面，高频率毫米波提供了更宽的通信频带，从而提高信息传输速率，解决了无人机通信高容量需求的问题。但是毫米波高频传输导致的功率损耗严重问题对于机载能量有限的无人机而言，仍是制约其应用的瓶颈问题。除此之外，由于无人机中继通信系统覆盖范围广以及信息传输的广播特性，使得它在执行中继传输任务的过程中极易受到来自恶意用户的非法窃听。因此，信息传输的安全性也是无人机中继通信系统建设和发展急需解决的核心问题。现有的无人机中继通信系统安全能效性研究大多是针对单天线情况下的功率分配问题，并未考虑与毫米波结合情况下的多天线优化问题，现阶段迫切需要针对毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效性的优化技术。
发明内容
为了解决现有技术中毫米波全双工无人机中继通信系统功率损耗严重且传输安全性不足的问题，本发明提出了一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，能够通过优化无人机悬停位置和信号传输波束成形矢量，实现毫米波全双工无人机中继通信系统高能效的保密传输，并达到保密性能和能效性能的最佳平衡。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
本发明提出了一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，包括如下步骤：
以毫米波全双工无人机中继通信系统的安全能效为优化指标，构建无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题；
利用交替迭代法将联合优化问题分解为波束成形优化问题和无人机位置优化问题；
利用连续凸近似和惩罚函数分别将波束成形优化问题和无人机位置优化问题转化成凸优化问题；
利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解，获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置。
进一步的，毫米波全双工无人机中继通信系统的全双工自干扰信道模型的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000031
其中，Huu表示自干扰信道矩阵，[Huu]m,n表示自干扰信道矩阵中第m行n列的元素，λ为通信系统载波波长，rm,n表示发送天线阵列中的第m根天线和接收天线阵列中的第n根天线之间的距离，m＝1,2,…,Mtot，Mtot为行天线数量，n＝1,2,…,Ntot，Ntot为列天线数量。
进一步的，所述毫米波全双工无人机中继通信系统包括1个单天线源节点、1个单天线目的节点、K个非协作单天线窃听节点和1个多天线全双工无人机中继节点，则毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000032
其中，ψSEE表示毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效，Rsec表示系统安全容量，Ptotal表示系统总通信功耗，Rd表示无人机中继节点的信息传输速率，Rek表示第k个窃听节点的窃听速率，k＝1,2,…,K，ξu表示无人机中继节点的功率放大系数，Pu表示无人机中继节点的发射功率，Psta表示系统固定功耗。
进一步的，无人机中继节点的信息传输速率Rd的计算公式如下：
Figure BDA0003114864490000033
其中，Ps表示源节点的发射功率，
Figure BDA0003114864490000034
λ为通信系统载波波长，ds,u表示源节点与无人机中继节点之间的距离，wr表示无人机接收波束成形矢量，as,u表示源节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量，ρ表示无源自干扰消除系数，Huu表示自干扰信道矩阵，wt表示无人机发射波束成形矢量，
Figure BDA0003114864490000041
表示无人机中继节点的噪声方差，dd,u表示目的节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure BDA0003114864490000042
表示目的节点的噪声方差，ad,u表示目的节点与无人机之间的天线阵列矢量；
第k个窃听节点的窃听速率
Figure BDA0003114864490000043
的计算公式如下：
Figure BDA0003114864490000044
其中，
Figure BDA0003114864490000045
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure BDA0003114864490000046
表示第k个窃听节点的噪声方差，
Figure BDA0003114864490000047
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量。
进一步的，所述无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题的表达式如下：
(P1)
Figure BDA0003114864490000048
其中，qu表示无人机中继节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000049
表示无人机中继节点的最大发射功率。
进一步的，波束成形优化问题的表达式如下：
(sub-P1)
Figure BDA0003114864490000051
无人机位置优化问题的表达式如下：
(sub-P2)
Figure BDA0003114864490000052
进一步的，将波束成形优化问题转化成凸优化问题的方法为：
获得无人机接收波束成形矢量的最优值的闭合表达式：
Figure BDA0003114864490000053
其中，
Figure BDA0003114864490000054
表示无人机接收波束成形矢量的最优解，
Figure BDA0003114864490000055
表示维度为Lr×Lr的单位矩阵，Lr表示无人机中继节点的接收天线数；
将
Figure BDA0003114864490000056
代入波束成形优化问题，并利用连续凸近似和惩罚函数将波束成形优化问题转化成凸优化问题，波束成形凸优化问题的表达式为：
Figure BDA0003114864490000061
其中，a,b,r,f,g分别为波束成形凸优化问题的辅助变量，υ为惩罚系数，
Figure BDA0003114864490000062
Figure BDA0003114864490000063
表示Wt的可行解，
Figure BDA0003114864490000064
表示
Figure BDA0003114864490000065
的最大特征值，
Figure BDA0003114864490000066
表示
Figure BDA0003114864490000067
的最大特征值对应的特征矢量，
Figure BDA0003114864490000068
Figure BDA0003114864490000069
Figure BDA00031148644900000610
分别为a,b,f,g的可行解。
进一步的，将无人机位置优化问题转化成凸优化问题的方法为：
利用连续凸近似将无人机位置优化问题转化成凸优化问题，无人机位置凸优化问题的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000071
其中，μ,α,β分别为无人机位置凸优化问题的辅助变量，
Figure BDA0003114864490000072
Figure BDA0003114864490000073
表示位置初始解，qs表示源节点的位置矢量，hu表示无人机飞行高度，
Figure BDA0003114864490000074
qd表示目的节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000075
表示第k个窃听节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000076
进一步的，利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解的方法为：
(1)令迭代次数l＝0，初始化波束成形矢量
Figure BDA0003114864490000077
无人机位置矢量
Figure BDA0003114864490000078
和辅助变量{a(l),b(l),f(l),g(l)}，并设置迭代半径rmax和迭代精度ε；
(2)根据无人机位置矢量
Figure BDA0003114864490000079
计算天线阵列矢量a，并令外迭代的中心位置
Figure BDA00031148644900000710
(3)固定无人机位置矢量
Figure BDA00031148644900000711
根据
Figure BDA00031148644900000712
和{a(l),b(l),f(l),g(l)}求解波束成形凸优化问题，获得最优波束成形矢量
Figure BDA00031148644900000713
和辅助变量{a(l+1),b(l+1),f(l+1),g(l+1)}；
(4)固定最优波束成形矢量
Figure BDA00031148644900000714
在位置矢量
Figure BDA00031148644900000715
和
Figure BDA00031148644900000716
的附加约束下求解无人机位置凸优化问题，获得最优无人机位置矢量
Figure BDA00031148644900000717
(5)根据
Figure BDA0003114864490000081
和
Figure BDA0003114864490000082
判定毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效是否收敛于ε，如果毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效收敛于ε，进入步骤(6)，否则令l＝l+1，并返回步骤(3)；
(6)判定
Figure BDA0003114864490000083
和
Figure BDA0003114864490000084
的值是否相等，如果相等，进入步骤(7)，否则令l＝l+1，并返回步骤(2)；
(7)根据当前迭代的
Figure BDA0003114864490000085
和
Figure BDA0003114864490000086
获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，其中，使安全能效最大化的波束成形矢量的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000087
Figure BDA0003114864490000088
其中，
Figure BDA0003114864490000089
表示无人机发射波束成形矢量的最优解，
Figure BDA00031148644900000810
表示无人机接收波束成形矢量的最优解；
使安全能效最大化的无人机悬停位置为
Figure BDA00031148644900000811
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，通过将无人机中继通信系统与毫米波技术相结合实现优势互补，同时针对无人机中继通信系统的安全能效性问题，波束成形和无人机位置进行联合优化，获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，与现有技术相比，本发明方法充分考虑了安全性和能量消耗，给出了毫米波多天线情况下的系统安全能效优化技术，更好地平衡了实际应用中无人机中继通信系统的安全性和能效性，实现了毫米波全双工无人机中继通信系统高能效的保密传输，解决了毫米波全双工无人机中继通信系统功率损耗严重且传输安全性不足的问题。
本发明方法提出了连续凸近似和惩罚函数方法的子问题凸近似方案及联合迭代算法，与现有技术相比，本发明可以在有限次迭代下收敛获得原始问题的最佳次优解，即获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，能够有效提升无人机保密传输的能量效率。
附图说明
图1为本发明一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中毫米波全双工无人机中继通信系统的系统模型图；
图3为本发明实施例中联合迭代算法的步骤流程图；
图4为本发明实施例中不同对比方案下无人机最佳悬停位置和安全能效性能仿真示意图；
图5为本发明实施例中不同对比方案下的系统安全能效性能随无人机最大发射功率变化趋势仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤A、以毫米波全双工无人机中继通信系统的安全能效为优化指标，构建无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题；
步骤B、利用交替迭代法将联合优化问题分解为波束成形优化问题和无人机位置优化问题；
步骤C、利用连续凸近似和惩罚函数分别将波束成形优化问题和无人机位置优化问题转化成凸优化问题；
步骤D、利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解，获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置。
本发明方法基于毫米波平面阵建立无人机空-地信道及无人机全双工自干扰信道模型，获得毫米波全双工无人机中继通信系统，如图2所示，毫米波全双工无人机中继通信系统包括1个单天线源节点、1个单天线目的节点、K个非协作单天线窃听节点和1个多天线全双工无人机中继节点，其中，多天线全双工无人机中继节点采用毫米波平面阵(均匀平面天线阵列)，配备Lr＝Mr×Nr根接收天线和Lt＝Mt×Nt根发送天线；本发明方法中的毫米波全双工无人机中继通信系统不考虑源节点到目的节点的直达链路，即源节点只能通过无人机中继节点与目的节点通信。
在步骤A的毫米波全双工无人机中继通信系统中，考虑到毫米波通信特点，假设空地节点传输信道为视距传输信道，则毫米波全双工无人机中继通信系统的无人机空-地信道模型的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000101
其中，hi,u表示节点i的信道矢量，i∈{s,d,ek}，s为源节点，d为目的节点，ek为第k个窃听节点，k＝1,2,…,K，K为窃听节点的总数，
Figure BDA0003114864490000111
λ为通信系统载波波长，di,u表示节点i与无人机之间的距离，ai,u表示节点i与无人机之间的天线阵列矢量。
ai,u的计算公式如下：
Figure BDA0003114864490000112
其中，D表示毫米波平面阵中相邻天线元素之间的距离，Mtot和Ntot分别表示毫米波平面阵中的行天线数和列天线数，θi,u和φi,u分别表示节点i与无人机之间的俯仰角和方位角。
θi,u和φi,u的计算公式分别如下：
Figure BDA0003114864490000113
Figure BDA0003114864490000114
其中，hu表示无人机的飞行高度，qu＝(xu,yu)T和qi＝(xi,yi)T分别表示无人机和节点i的位置矢量，xu,yu,xi,yi分别为无人机和节点i的水平坐标.
考虑到无人机可搭载的毫米波平面阵尺寸较小，本发明采用近场模型作为毫米波全双工无人机中继通信系统的全双工自干扰信道模型，具体表达式如下：
Figure BDA0003114864490000115
其中，Huu表示自干扰信道矩阵，[Huu]m,n表示自干扰信道矩阵中第m行n列的元素，rm,n表示发送天线阵列中的第m根天线和接收天线阵列中的第n根天线之间的距离，m＝1,2,…,Mtot，n＝1,2,…,Ntot。
在步骤A中，针对毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输问题，本发明方法提出了安全能效优化指标，利用安全能效衡量安全传输单位比特消耗的功率。
无人机中继采用解码转发协议，根据无人机的自干扰信道，无人机中继节点的信息传输速率Rd的计算公式如下：
Figure BDA0003114864490000121
其中，Ps表示源节点的发射功率，ds,u表示源节点与无人机中继节点之间的距离，wr表示无人机接收波束成形矢量，as,u表示源节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量，ρ表示无源自干扰消除系数，wt表示无人机发射波束成形矢量，
Figure BDA0003114864490000122
表示无人机中继节点的噪声方差，dd,u表示目的节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure BDA0003114864490000123
表示目的节点的噪声方差，ad,u表示目的节点与无人机之间的天线阵列矢量。
假设窃听端只能窃听到中继端发送的信号，则第k个窃听节点的窃听速率
Figure BDA0003114864490000124
的计算公式如下：
Figure BDA0003114864490000125
其中，
Figure BDA0003114864490000126
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure BDA0003114864490000127
表示第k个窃听节点的噪声方差，
Figure BDA0003114864490000128
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量。
在不考虑飞行功率，只考虑通信功率的情况下，毫米波全双工无人机中继通信系统的总通信功耗Ptotal为：
Ptotal＝ξuPu+Psta (21)
其中，ξu表示无人机中继节点的功率放大系数，Pu表示无人机中继节点的发射功率，
Figure BDA0003114864490000131
Psta表示系统固定功耗。
系统固定功耗Psta的计算公式如下：
Psta＝ξsPs+(Lr+Lt)PRF+PBB+PSI (22)
其中，ξs表示源节点的功率放大系数，Lr和Lt分别表示无人机中继的接收天线数和发射天线数，PRF表示无人机中继端单个射频链的功率，PBB表示无人机中继端基带处理的功率，PSI表示无人机中继端自干扰消除所消耗的功率。
根据公式(19)～(22)，毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000132
其中，ψSEE表示毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效，单位为(bit/Hz/Joule)，Rsec表示系统安全容量。
根据公式(23)，无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题的表达式如下：
(P1)
Figure BDA0003114864490000133
其中，qu表示无人机中继节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000141
表示无人机中继节点的最大发射功率。
考虑到联合优化问题(P1)中存在变量耦合，在步骤B中，本发明利用交替迭代法解决变量耦合问题，并将原始的联合优化问题分解为波束成形优化问题和无人机位置优化问题，后续对两个子问题进行求解，其中，波束成形优化问题的表达式如下：
(sub-P1)
Figure BDA0003114864490000142
无人机位置优化问题的表达式如下：
(sub-P2)
Figure BDA0003114864490000143
在本发明实施例中，步骤C的具体操作如下：
步骤C01、由于波束成形优化问题(sub-P1)是非凸优化问题，因此，本发明利用连续凸近似和惩罚函数将波束成形优化问题转化成凸优化问题，具体的：
(1)由于无人机接收波束成形矢量wr只影响源节点到无人机中继节点链路的信干噪比，因此可以通过广义瑞利熵获得wr最优值的闭合表达式：
Figure BDA0003114864490000144
其中，
Figure BDA0003114864490000145
表示无人机接收波束成形矢量的最优解，
Figure BDA0003114864490000146
表示维度为Lr×Lr的单位矩阵。
(2)将
Figure BDA0003114864490000151
代入公式(19)可得Rd在目标函数中的等价形式，具体表达式如下：
Figure BDA0003114864490000152
其中，
Figure BDA0003114864490000153
Figure BDA0003114864490000154
(3)通过引入辅助变量对原始波束成形优化问题进行等价转换，具体表达式如下：
Figure BDA0003114864490000155
Figure BDA0003114864490000156
Figure BDA0003114864490000157
log2(1+tr(AudWt))-log2f≥r2 (29d)
Figure BDA0003114864490000158
ξutr(Wt)+Psta≤b (29f)
Figure BDA0003114864490000159
Figure BDA00031148644900001510
rank(Wt)＝1 (29i)
其中，a,b,r,f,g分别为辅助变量，
Figure BDA0003114864490000161
(4)采用连续凸近似法，将非凸约束(29b)、(29d)和(29h)通过一阶泰勒展开近似转换成凸约束条件，分别表示如下：
Figure BDA0003114864490000162
Figure BDA0003114864490000163
Figure BDA0003114864490000164
其中，
Figure BDA0003114864490000165
分别为a,b,f,g的可行解。
针对非凸约束(29i)，可等价表示为：
Figure BDA0003114864490000166
(5)将公式(33)作为惩罚函数带入目标函数(29a)，并对该项采用连续凸近似法通过一阶泰勒展开，则原始优化问题(29)可转化为凸近似问题，波束成形凸优化问题的具体表达式如下：
Figure BDA0003114864490000171
其中，υ为惩罚系数，
Figure BDA0003114864490000172
表示Wt的可行解，
Figure BDA0003114864490000173
表示
Figure BDA0003114864490000174
的最大特征值，
Figure BDA0003114864490000175
表示
Figure BDA0003114864490000176
的最大特征值对应的特征矢量。
步骤C02、由于无人机位置优化问题(sub-P2)是非凸优化问题，因此，本发明利用连续凸近似将无人机位置优化问题转化成凸优化问题，具体的：
(1)通过引入辅助变量对原始无人机位置优化问题进行等价转化，具体表达式如下：
Figure BDA0003114864490000177
Figure BDA0003114864490000178
Figure BDA0003114864490000179
Figure BDA00031148644900001710
Figure BDA00031148644900001711
其中，μ,α,β分别为辅助变量，
Figure BDA0003114864490000181
qs表示源节点的位置矢量，hu表示无人机飞行高度，
Figure BDA0003114864490000182
qd表示目的节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000183
表示第k个窃听节点的位置矢量，
Figure BDA0003114864490000184
(2)采用连续凸近似法，将非凸约束(35c)、(35d)和(35e)通过一阶泰勒展开近似转换成凸约束条件，具体表示如下：
Figure BDA0003114864490000185
Figure BDA0003114864490000186
Figure BDA0003114864490000187
其中，
Figure BDA0003114864490000188
表示位置初始解。
(3)根据公式(36)～(38)，采用连续凸近似的方法，无人机位置凸优化问题的表达式如下：
Figure BDA0003114864490000189
在步骤D中，本发明提出了一种联合迭代算法，可在有限次迭代下收敛获得原始问题的最佳次优解，如图3所示，步骤D的具体操作如下：
(1)令迭代次数l＝0，初始化波束成形矢量
Figure BDA0003114864490000191
无人机位置矢量
Figure BDA0003114864490000192
和辅助变量{a(l),b(l),f(l),g(l)}，并设置迭代半径rmax和迭代精度ε＝10-3。
(2)根据无人机位置矢量
Figure BDA0003114864490000193
计算天线阵列矢量a，并令外迭代的中心位置
Figure BDA0003114864490000194
(3)假设
Figure BDA0003114864490000195
是无人机位置的最优解，在固定无人机位置矢量
Figure BDA0003114864490000196
的情况下，根据变量
Figure BDA0003114864490000197
和{a(l),b(l),f(l),g(l)}求解波束成形凸优化问题(公式(34))，获得最优波束成形矢量
Figure BDA0003114864490000198
和辅助变量{a(l+1),b(l+1),f(l+1),g(l+1)}。
(4)假设
Figure BDA0003114864490000199
是波束成形的最优解，在固定最优波束成形矢量
Figure BDA00031148644900001910
的情况下，在变量
Figure BDA00031148644900001911
和
Figure BDA00031148644900001912
的附加约束下求解无人机位置凸优化问题(公式(39))，获得最优无人机位置矢量
Figure BDA00031148644900001913
(5)根据
Figure BDA00031148644900001914
和
Figure BDA00031148644900001915
判定毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效(公式(24))是否收敛于ε，即前后两次迭代值相差小于迭代精度是否成立。如果毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效收敛于ε，进入步骤(6)，否则令迭代次数加一，并返回步骤(3)。
(6)判定
Figure BDA00031148644900001916
和
Figure BDA00031148644900001917
的值是否相等，如果相等，进入步骤(7)，否则令迭代次数加一，并返回步骤(2)。
(7)根据当前迭代的
Figure BDA00031148644900001918
和
Figure BDA00031148644900001919
获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，其中，使安全能效最大化的波束成形矢量的表达式如下：
Figure BDA00031148644900001920
Figure BDA0003114864490000201
其中，
Figure BDA0003114864490000202
表示无人机发射波束成形矢量的最优解，
Figure BDA0003114864490000203
表示无人机接收波束成形矢量的最优解；
使安全能效最大化的无人机悬停位置为
Figure BDA0003114864490000204
为了验证本发明方法的效果，本发明实施例给出了如下实验：
图4为不同对比方案下无人机最佳悬停位置和安全能效性能仿真示意图。从图中可以看出，本发明方法(Proposed Scheme)获得的无人机悬停位置相比于理想波束成形方案(Ideal-BF Scheme)更靠近遍历方案(Optimal Scheme)得到的最优位置，同时获得的安全能效性几乎与最优遍历方案一致，证明本发明方法的性能可以很好的逼近系统安全能效性能的理论上界值。
图5为不同对比方案下的系统安全能效性能随无人机最大发射功率变化趋势仿真示意图。从图中可以看出，本发明所提出的全双工安全能效最大化(SEEM-FD)方案的性能优于半双工安全能效最大化(SEEM-HD)，全双工安全容量最大化(SRM-FD)和理想波束成形情况下全双工安全能效最大化(Ideal-BF)方案。在无人机最大发射功率小于25dBm时，本发明与SRM-FD方案性能保持一致，但当达到最大安全能效性能之后，本发明性能随最大发射功率增加保持不变，而SRM-FD方案性能快速下降，造成这种现象的原因是本发明为了避免安全能效性能下降，不再分配更多的发射功率，而在SRM-FD方案中为了保持更高的安全容量，将采用全部发送功率，从而导致性能下降。相较于SEEM-HD方案，本发明可以获得更高的安全容量，从而提升系统的安全能效性。而对于Ideal-BF方案，其无人机位置由最大发射功率情况下的理想波束成形矢量获得，所以性能最终呈下降趋势，在发射功率足够大时，无人机悬停在源端正上空，此时由于解码转发模式中继的固有特性导致系统的信息传输速率由第二跳链路决定，所以系统的性能保持不变。
本发明方法可以在有限次迭代下收敛获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，能够有效提升无人机保密传输的能量效率，更好地平衡了实际应用中无人机通信系统的安全性和能效性，实现了毫米波全双工无人机中继通信系统高能效的保密传输，解决了毫米波全双工无人机中继系统功率损耗严重且传输安全性不足的问题。
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 (9)

1.一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
以毫米波全双工无人机中继通信系统的安全能效为优化指标，构建无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题；
利用交替迭代法将联合优化问题分解为波束成形优化问题和无人机位置优化问题；
利用连续凸近似和惩罚函数分别将波束成形优化问题和无人机位置优化问题转化成凸优化问题；
利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解，获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，毫米波全双工无人机中继通信系统的全双工自干扰信道模型的表达式如下：
Figure FDA0003114864480000011
其中，Huu表示自干扰信道矩阵，[Huu]m,n表示自干扰信道矩阵中第m行n列的元素，λ为通信系统载波波长，rm,n表示发送天线阵列中的第m根天线和接收天线阵列中的第n根天线之间的距离，m＝1,2,…,Mtot，Mtot为行天线数量，n＝1,2,…,Ntot，Ntot为列天线数量。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，所述毫米波全双工无人机中继通信系统包括1个单天线源节点、1个单天线目的节点、K个非协作单天线窃听节点和1个多天线全双工无人机中继节点，则毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效的表达式如下：
Figure FDA0003114864480000021
其中，ψSEE表示毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效，Rsec表示系统安全容量，Ptotal表示系统总通信功耗，Rd表示无人机中继节点的信息传输速率，Rek表示第k个窃听节点的窃听速率，k＝1,2,…,K，ξu表示无人机中继节点的功率放大系数，Pu表示无人机中继节点的发射功率，Psta表示系统固定功耗。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，无人机中继节点的信息传输速率Rd的计算公式如下：
Figure FDA0003114864480000022
其中，Ps表示源节点的发射功率，
Figure FDA0003114864480000023
λ为通信系统载波波长，ds,u表示源节点与无人机中继节点之间的距离，wr表示无人机接收波束成形矢量，as,u表示源节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量，ρ表示无源自干扰消除系数，Huu表示自干扰信道矩阵，wt表示无人机发射波束成形矢量，
Figure FDA0003114864480000024
表示无人机中继节点的噪声方差，dd,u表示目的节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure FDA0003114864480000025
表示目的节点的噪声方差，ad,u表示目的节点与无人机之间的天线阵列矢量；
第k个窃听节点的窃听速率
Figure FDA0003114864480000031
的计算公式如下：
Figure FDA0003114864480000032
其中，
Figure FDA0003114864480000033
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的距离，
Figure FDA0003114864480000034
表示第k个窃听节点的噪声方差，
Figure FDA0003114864480000035
表示第k个窃听节点与无人机中继节点之间的天线阵列矢量。
5.根据权利要求1或4所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，无人机位置和解码转发波束成形的联合优化问题的表达式如下：
Figure FDA0003114864480000036
Figure FDA0003114864480000037
||wr||2＝1
其中，qu表示无人机中继节点的位置矢量，
Figure FDA0003114864480000038
表示无人机中继节点的最大发射功率。
6.根据权利要求5所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，波束成形优化问题的表达式如下：
Figure FDA0003114864480000039
Figure FDA00031148644800000310
||wr||2＝1
无人机位置优化问题的表达式如下：
Figure FDA00031148644800000311
。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，将波束成形优化问题转化成凸优化问题的方法为：
获得无人机接收波束成形矢量的最优值的闭合表达式：
Figure FDA0003114864480000041
其中，
Figure FDA0003114864480000042
表示无人机接收波束成形矢量的最优解，
Figure FDA0003114864480000043
表示维度为Lr×Lr的单位矩阵，Lr表示无人机中继节点的接收天线数；
将
Figure FDA0003114864480000044
代入波束成形优化问题，并利用连续凸近似和惩罚函数将波束成形优化问题转化成凸优化问题，波束成形凸优化问题的表达式为：
Figure FDA0003114864480000045
Figure FDA0003114864480000046
Figure FDA0003114864480000047
ξutr(Wt)+Psta≤b
Figure FDA0003114864480000048
Figure FDA0003114864480000049
Figure FDA00031148644800000410
Figure FDA00031148644800000411
其中，a,b,r,f,g分别为波束成形凸优化问题的辅助变量，υ为惩罚系数，
Figure FDA00031148644800000412
Figure FDA00031148644800000413
表示Wt的可行解，
Figure FDA00031148644800000414
表示
Figure FDA00031148644800000415
的最大特征值，
Figure FDA00031148644800000416
表示
Figure FDA0003114864480000051
的最大特征值对应的特征矢量，
Figure FDA0003114864480000052
Figure FDA0003114864480000053
Figure FDA0003114864480000054
分别为a,b,f,g的可行解。
8.根据权利要求6所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，将无人机位置优化问题转化成凸优化问题的方法为：
利用连续凸近似将无人机位置优化问题转化成凸优化问题，无人机位置凸优化问题的表达式如下：
Figure FDA0003114864480000055
Figure FDA0003114864480000056
Figure FDA0003114864480000057
Figure FDA0003114864480000058
Figure FDA0003114864480000059
其中，μ,α,β分别为无人机位置凸优化问题的辅助变量，
Figure FDA00031148644800000510
Figure FDA00031148644800000511
表示位置初始解，qs表示源节点的位置矢量，hu表示无人机飞行高度，
Figure FDA00031148644800000512
qd表示目的节点的位置矢量，
Figure FDA00031148644800000513
表示第k个窃听节点的位置矢量，
Figure FDA00031148644800000514
9.根据权利要求7所述的一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法，其特征在于，利用联合迭代算法对凸优化问题进行迭代求解的方法为：
(1)令迭代次数l＝0，初始化波束成形矢量
Figure FDA0003114864480000061
无人机位置矢量
Figure FDA0003114864480000062
和辅助变量{a(l),b(l),f(l),g(l)}，并设置迭代半径rmax和迭代精度ε；
(2)根据无人机位置矢量
Figure FDA0003114864480000063
计算天线阵列矢量a，并令外迭代的中心位置
Figure FDA0003114864480000064
(3)固定无人机位置矢量
Figure FDA0003114864480000065
根据
Figure FDA0003114864480000066
和{a(l),b(l),f(l),g(l)}求解波束成形凸优化问题，获得最优波束成形矢量
Figure FDA0003114864480000067
和辅助变量{a(l+1),b(l+1),f(l+1),g(l+1)}；
(4)固定最优波束成形矢量
Figure FDA0003114864480000068
在位置矢量
Figure FDA0003114864480000069
和
Figure FDA00031148644800000610
的附加约束下求解无人机位置凸优化问题，获得最优无人机位置矢量
Figure FDA00031148644800000611
(5)根据
Figure FDA00031148644800000612
和
Figure FDA00031148644800000613
判定毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效是否收敛于ε，如果毫米波全双工无人机中继通信系统安全能效收敛于ε，进入步骤(6)，否则令l＝l+1，并返回步骤(3)；
(6)判定
Figure FDA00031148644800000614
和
Figure FDA00031148644800000615
的值是否相等，如果相等，进入步骤(7)，否则令l＝l+1，并返回步骤(2)；
(7)根据当前迭代的
Figure FDA00031148644800000616
和
Figure FDA00031148644800000617
获得使安全能效最大化的波束成形矢量和无人机悬停位置，其中，使安全能效最大化的波束成形矢量的表达式如下：
Figure FDA00031148644800000618
Figure FDA00031148644800000619
其中，
Figure FDA0003114864480000071
表示无人机发射波束成形矢量的最优解，
Figure FDA0003114864480000072
表示无人机接收波束成形矢量的最优解；
使安全能效最大化的无人机悬停位置为
Figure FDA0003114864480000073
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