CN114205050B - 无人机隐蔽通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无人机隐蔽通信法及装置，通信时的隐蔽性能好。本发明方法包括以下步骤：(10)获取通信参数：获取隐蔽通信所需通信参数；(20)计算接收机最小信噪比：根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量、发送消息码长，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；(30)计算无人机最佳位置：根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置；(40)计算无人机最佳发射功：根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；(50)进行隐蔽通信：无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。

Description

无人机隐蔽通信方法及装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种无人机隐蔽通信方法及装置。
背景技术
由于无线传输固有的广播特性，无线通信的安全问题日益受到关注。传统的加密技术通过将信息加密为秘文来保护传输的信息免受窃听者的攻击。然而加密信息仍然存在被截获并解密的风险。在这种情况下隐蔽通信成为确保信息传输安全的重要技术。物理层的隐蔽通信可以借助噪声，人工噪声和功率控制等技术来使得监听者无法判断通信双方是否正在进行通信，从而将通信行为隐蔽。
对于无人机网络，其本身和地面潜在监听者之间存在视线条件，相比与地面无线网络更易受到通信安全威胁。
无人机的隐蔽通信研究目前集中在通过控制飞行轨迹和发射功率来提高吞吐量上。通过飞行轨迹和功率控制的联合优化，使得无人机隐蔽系统在满足最低隐蔽通信性能要求的情况下进一步提高通信质量，但这些研究大多针对无人机网络的2D部署，并未考虑无人机的高度因素，一旦无人机高度的不确定性增大，系统的稳定性将受到较大影响，可能出现隐蔽率低于最低性能要求而导致通信行为暴露的情况。
总之，现有技术存在的问题是是：无人机隐蔽通信系统的隐蔽性能不够好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机隐蔽通信法，隐蔽性能好。
本发明的另一目的在于提供一种隐蔽性好的无人机通信装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种无人机隐蔽通信方法，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，包括以下步骤：
(10)获取通信参数：获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数、地面接收机和监听方的位置信息、无人机到地面接收机之间的信道增益β、发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
(20)计算接收机最小信噪比：根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；
(30)计算无人机最佳位置：根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置；
(40)计算无人机最佳发射功：根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；
(50)进行隐蔽通信：无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
实现本发明另一目的的技术解决方案为：
一种无人机隐蔽通信装置，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，其特征在于，包括：
通信参数获取模块，用于获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数、地面接收机和监听方的位置信息、无人机到地面接收机之间的信道增益β、发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
接收机最小信噪比计算模块，用于根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；
无人机最佳位置计算模块，用于根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置；
无人机最佳发射功计算模块，用于根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；
隐蔽通信模块，用于无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、隐蔽性能更好：由于发射方采用功率控制，监听方采用辐射仪进行能量检测，隐蔽通信系统在提高吞吐量的同时会牺牲隐蔽性能。现有的无人机隐蔽通信系统大多是为了最大化吞吐量而仅满足最低的隐蔽性要求，本发明则是依据不同的吞吐量要求，通过调整发射功率与无人机位置来使得隐蔽性能最大化；采用无人机位置和发射功率的联合优化，对隐蔽性的优化相较于之前的研究成果更好。
2、适用性更广：现有的无人机隐蔽通信系统大多为二维部署，忽略了无人机高度的影响，本发明则将无人机高度作为关键变量考虑在其中，针对不同高度飞行的无人机均可提升其隐蔽性能；很多隐蔽通信系统中，发射方的位置往往是固定的，而本发明提出的无人机隐蔽通信系统中，发射方位置可以动态调整，采用功率和位置的联合优化策略，能应对更多变化的实际场景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为无人机通信的系统结构示意图。
图2为本发明无人机隐蔽通信方法的主流程图。
图3为图2中无人机最佳位置计算步骤的流程图。
图4为图2中最佳发射功率确定步骤的流程图。
具体实施方式
如图1所示，无人机通信涉及的各主体包括：作为发射方的无人机，地面接收机以及地面监听方。无人机要向地面接收机发送消息，而地面监听方试图检测无人机与接收机之间是否存在通信行为。
本发明无人机隐蔽通信方法适用于图1所示的无人机隐蔽通信架构。
如图2所示，本发明无人机隐蔽通信方法，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，其包括以下步骤：
(10)获取通信参数：获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数地面接收机和监听方的位置信息，无人机到地面接收机之间的信道增益β，发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
(20)计算接收机最小信噪比：根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0，发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比，记为 由以下方程中关于γb的解计算得出：
(30)计算无人机最佳位置：根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置。
如图3所示，所述(30)无人机最佳位置计算步骤包括：
(31)计算无人机有效覆盖半径r0：根据所述无人机最低飞行高度H、无人机到地面接收机之间的信道增益β和无人机最大发射功率Pmax，以及地面接收机最小信噪比根据如下公式获取无人机有效覆盖半径r0：
(32)构建坐标系：以垂直水平面方向为z轴，任意选取两个相互垂直的水平向量作为x轴和y轴，依据所述地面接收机和监听方的位置信息，设置对应坐标系中地面接收机的位置坐标qb(xb，yb)，监听方坐标qw(xw，yw)；
(33)计算无人机最佳位置x轴坐标：依据无人机最低飞行高度H和无人机有效覆盖半径r0，用以下公式计算出局部最优位置的x轴坐标，分别记为x1和x2：
将x1和x2分别代入以下公式：
比较η(x1)和η(x2)的大小，取较大者的值为无人机最佳x轴坐标xa；
(34)计算无人机最佳位置y轴坐标：
无人机最佳位置的水平投影和地面接收机，监听方处于同一条直线上，根据无人机的x轴坐标xa，以及qb(xb，yb)，qw(xw，yw)，利用如下公式计算出无人机y轴坐标：
(35)确定无人机最佳位置坐标：依据无人机最低飞行高度H，以及(3.3)(3.4)中计算得出的xa和ya，无人机最佳位置坐标即为(xa，ya，H)
(40)计算无人机最佳发射功：根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率。
如图4所示，所述(40)计算无人机最佳发射功率步骤包括：
(41)计算无人机到地面接收机的距离：由(30)步骤中计算出的无人机最佳发射位置(xa，ya，H)以及地面接收机的位置坐标qb(xb，yb)计算出地面接收方到无人机最佳位置的距离d；
(42)计算最佳发射功率：依据(20)步骤中获得的最小信噪比(10)步骤中获得的无人机到地面接收机的信道增益β，以及(4.1)中得到的d，利用以下公式即可计算出无人机的最佳发射功率，记为/>
(50)进行隐蔽通信：无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
本发明无人机隐蔽通信装置，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，其包括：
通信参数获取模块，用于获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数、地面接收机和监听方的位置信息、无人机到地面接收机之间的信道增益β、发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
接收机最小信噪比计算模块，用于根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；
无人机最佳位置计算模块，用于根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置；
无人机最佳发射功计算模块，用于根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；
隐蔽通信模块，用于无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
本发明通过优化无人机的三维位置以及发射功率，最大化无人机与地面接收机的通信隐蔽性。与现有的最优2D无人机部署相比，本发明引入了高度变量H，所提出的最佳位置更符合实际场景，获得显著的性能增益；本发明中无人最佳发射功率的取值依赖于最佳位置，在实际场景中，信道增益β的变化必将会导致无人机最佳位置的变化，按照本发明提供的方法此时依然可以求出无人机的最佳发射功率，适用性上有着显著的提高。

Claims (3)

1.一种无人机隐蔽通信方法，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，其特征在于，包括以下步骤：
(10)获取通信参数：获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数、地面接收机和监听方的位置信息、无人机到地面接收机之间的信道增益β、发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
(20)计算接收机最小信噪比：根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；
(30)计算无人机最佳位置：根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置；
所述无人机最佳位置计算步骤包括：
(31)计算无人机有效覆盖半径r0：根据所述无人机最低飞行高度H、无人机到地面接收机之间的信道增益β和无人机最大发射功率Pmax，以及地面接收机最小信噪比根据如下公式获取无人机有效覆盖半径r0，
(32)构建坐标系：以垂直水平面方向为z轴，任意选取两个相互垂直的水平向量作为x轴和y轴，依据所述地面接收机和监听方的位置信息，设置对应坐标系中地面接收机的位置坐标qb(xb,yb)，监听方坐标qw(xw,yw)；
(33)计算无人机最佳位置x轴坐标：依据无人机最低飞行高度H和无人机有效覆盖半径r0，用以下公式计算出局部最优位置的x轴坐标，分别记为x1和x2，
将x1和x2分别代入以下公式：
比较η(x1)和η(x2)的大小，取较大者的值为无人机最佳x轴坐标xa；
(34)计算无人机最佳位置y轴坐标：无人机最佳位置的水平投影和地面接收机，监听方处于同一条直线上，根据无人机的x轴坐标xa，以及qb(xb,yb)，qw(xw,yw)，利用如下公式计算出无人机y轴坐标：
(35)确定无人机最佳位置坐标：依据无人机最低飞行高度H，以及所述xa和ya，无人机最佳位置坐标即为(xa,ya,H)；
(40)计算无人机最佳发射功：根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；
(50)进行隐蔽通信：无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
2.根据权利要求1所述的无人机隐蔽通信方法，其特征在于，所述(40)计算无人机最佳发射功率步骤包括：
(41)计算无人机到地面接收机的距离：由所述无人机最佳发射位置(xa,ya,H)以及地面接收机的位置坐标qb(xb,yb)计算出地面接收方到无人机最佳位置的距离d；
(42)计算最佳发射功率：依据所述最小信噪比无人机到地面接收机的信道增益β以及d，利用以下公式计算出无人机的最佳发射功率，记为/>
3.一种无人机隐蔽通信装置，用于在地面监听方监听情况下，实现作为发射方的无人机与地面接收机之间的隐蔽通信，其特征在于，包括：
通信参数获取模块，用于获取通信参数，包括无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、无人机性能参数、地面接收机和监听方的位置信息、无人机到地面接收机之间的信道增益β、发送消息码长N；所述无人机性能参数包括无人机最大发射功率Pmax和无人机最低飞行高度H；
接收机最小信噪比计算模块，用于根据所述无人机与地面接收机之间通信所需最小有效吞吐量T0、发送消息码长N，计算地面接收机能满足最小有效吞吐量时的信噪比；
无人机最佳位置计算模块，用于根据通信参数和接收方最小信噪比，计算无人机最佳位置，具体如下：
计算无人机有效覆盖半径r0：根据所述无人机最低飞行高度H、无人机到地面接收机之间的信道增益β和无人机最大发射功率Pmax，以及地面接收机最小信噪比根据如下公式获取无人机有效覆盖半径r0：
构建坐标系：以垂直水平面方向为z轴，任意选取两个相互垂直的水平向量作为x轴和y轴，依据所述地面接收机和监听方的位置信息，设置对应坐标系中地面接收机的位置坐标qb(xb,yb)，监听方坐标qw(xw,yw)；
计算无人机最佳位置x轴坐标：依据无人机最低飞行高度H和无人机有效覆盖半径r0，用以下公式计算出局部最优位置的x轴坐标，分别记为x1和x2：
将x1和x2分别代入以下公式：
比较η(x1)和η(x2)的大小，取较大者的值为无人机最佳x轴坐标xa；
计算无人机最佳位置y轴坐标：
无人机最佳位置的水平投影和地面接收机，监听方处于同一条直线上，根据无人机的x轴坐标xa，以及qb(xb,yb)，qw(xw,yw)，利用如下公式计算出无人机y轴坐标：
确定无人机最佳位置坐标：依据无人机最低飞行高度H，以及所述xa和ya，无人机最佳位置坐标即为(xa,ya,H)；
无人机最佳发射功计算模块，用于根据无人机到地面接收机的距离、接收方最小信噪比和无人机到地面接收机之间的信道增益，计算无人机最佳发射功率；
隐蔽通信模块，用于无人机以所述最佳发射功率在最佳位置向地面接收机发送消息。
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