CN114257299A - 一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法 - Google Patents

一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法 Download PDF

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Abstract

公开一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法，包括下列步骤：建立地空信道模型；无人机NOMA系统内用户的信噪比分析；通过动态功率分配保证无人机NOMA系统的可靠性；通过发射人工噪声保证无人机NOMA系统的安全性。本发明对于存在不同用户需求的NOMA网络，采用一架无人机作为空中基站，利用动态功率分配的方法保证对可靠性有要求的用户能成功解码，对保密性有要求的用户能安全地接收机密信息，同时采用一架无人机干扰机发送人工噪声，恶化窃听者的接收质量，从而提高对安全性有要求的用户的安全传输。本发明相对于传统的地面NOMA网络传输方法，显著地提高了系统的可靠性和安全性，同时适用于未来5G无线通信快速部署的要求。

Description

一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于动态功率分配和人工噪声的无人机非正交多址网络可靠安全传输方法
背景技术
由于无人机具有低成本、高机动性、高信道质量等优点，近年来无人机无线通信得到了人们的广泛关注。无人机可作为临时空中基站，在灾后快速搭建通信平台；也可以作为辅助中继，利用其灵活性和信道特性获得更好的通信质量。然而，与传统的地面无线通信相比，由于空对地通信链路具有强视距链路属性，更容易被截获，所以安全性是无人机通信面临的关键挑战之一。
同时为满足5G时代大规模接入需求，作为5G无线网络中最有前途的关键技术之一，与传统的正交多址(OMA)相比，非正交多址(NOMA)可以显著提高频谱效率和用户公平性。NOMA技术已经吸引了业界的广泛关注。NOMA技术被认为是5G和后5G时代十分具有应用前景的多址接入方式。NOMA的基本思想是在发送端利用叠加编码给不同用户信号分配不同大小的功率，同时在接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术消除用户间干扰并检测出多用户信息。
近年来，物理层安全技术在无线通信安全领域发挥着越来越重要的作用。物理层安全技术是指利用无线信道的固有特性(例如，衰落、噪声和干扰)来保证窃听者在物理层上不能窃取合法信息，与上层加密技术相比，物理层安全技术不需要大量复杂的计算以及密钥的分发与管理，是对上层加密技术的补充甚至替代。尤其对于无人机等能量有限的物联网终端，物理层安全技术能有效节省资源，在存在恶意窃听者的情况下，没有复杂加密算法的物理层安全能够提高无人机NOMA系统的安全性。现有技术往往聚焦于保证地面NOMA系统的可靠性，而在存在窃听者的情况下，由于地空信道的开放性，为保护机密信息不被窃取，提高无人机NOMA系统的安全性显得尤为重要。因此，发明一种实现无人机NOMA系统可靠安全传输的方法迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法，具体包括下列步骤：
1)建立地空信道模型；
地空信道的视距链路概率表示为
Figure BSA0000264376880000021
非视距链路的概率可以表示为
Figure BSA0000264376880000022
其中
Figure BSA0000264376880000023
w是和环境有关的参数，θGF表示地空信道的仰角，则视距链路和非视距链路的平均路径损耗表示为：
Figure BSA0000264376880000024
其中τ表示路径损耗指数，“-τ”是“-τ次方”，ηLoS和ηNLoS都是与环境有关的参数，dGF表示地空节点之间的距离；视距信道链路的小尺度衰落为nakagami-m衰落，非视距信道链路的小尺度衰落为瑞利衰落；
2)无人机NOMA系统内用户的信噪比分析
无人机NOMA系统包括无人机基站S、无人机干扰机J、安全需求用户U1、可靠需求用户U2、窃听者E；其中无人机干扰机J配有N个天线，其余节点均配有单天线，所有节点的工作模式均为半双工；E试图窃听U1的信号；
无人机基站S通过叠加编码，获得发往U1和U2的叠加信号
Figure BSA0000264376880000025
其中Ps表示基站发射功率，s1和s2分别代表发送给安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信号，α1和α2分别代表安全需求用户U1和可靠需求用户U2的功率分配因子，α1+α2＝1且α1＜α2，γ1，s2表示安全需求用户U1上解码信号s2的信噪比
Figure BSA0000264376880000031
γ2，s2表示可靠需求用户U2上解码信号s2的信噪比，
Figure BSA0000264376880000032
其中hs1代表无人机S到安全需求用户U1的信道系数，hs2代表无人机S到可靠需求用户U2的信道系数，
Figure BSA0000264376880000033
表示基站发射功率Ps与噪声功率N0的比值；安全需求用户U1解码s1的信噪比表示为
Figure BSA0000264376880000034
3)通过动态功率分配保证无人机NOMA系统的可靠性
为保证无人机NOMA系统的可靠性，确保安全需求用户U1能够成功解码可靠需求用户U2的信号s2，可靠需求用户U2能成功解码自己的信号，安全需求用户U1、可靠需求用户U2上解码s2的信噪比
Figure BSA0000264376880000035
需要满足
Figure BSA0000264376880000036
其中R2代表s2的编码速率；为了最大化s1的可靠传输概率，功率分配系数α1被设计为
Figure BSA0000264376880000037
其中常数
Figure BSA0000264376880000038
4)通过发射人工噪声保证无人机NOMA系统的安全性
为提高无人机NOMA系统的安全性，防止窃听者窃听机密信息，另外部署一架无人机干扰机J，无人机干扰机J采用迫零方法发射人工噪声，该人工噪声被设计为不影响两个用户的接收质量而只恶化窃听者的接收质量；
考虑最坏的情况，地面窃听者E拥有检测用户信号的多用户检测能力，并且地面窃听者E处不存在加性高斯噪声，则地面窃听者E解码s1的信噪比表示为
Figure BSA0000264376880000041
其中
Figure BSA0000264376880000042
为干扰信号功率与噪声功率的比值，hje表示无人机干扰机J到地面窃听者E的信道系数，hse表示无人机基站S到地面窃听者E的信道系数；
则安全需求用户U1的连接中断概率表示为
Figure BSA0000264376880000043
其中常数
Figure BSA0000264376880000044
R1代表s1的编码速率，
Figure BSA0000264376880000045
和
Figure BSA0000264376880000046
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为视距信道的概率，
Figure BSA0000264376880000047
和
Figure BSA0000264376880000048
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为非视距信道的概率，Pr(·)表示概率函数；
安全需求用户U1的保密中断概率表示为
Figure BSA0000264376880000049
其中常数
Figure BSA00002643768800000410
Rs代表s1的目标保密率，R1-Rs代表安全需求用户U1上对抗窃听的冗余速率；P1 JE和P2 JE分别表示信道||hjeW||2为视距信道和非视距信道的概率；P1 SE、P2 SE分别表示信道|hse|2为视距信道和非视距信道的概率；
保密中断概率从窃听者处信息截获的角度描述保密性能，采用有效保密吞吐量来进一步描述系统的保密性和可靠性，安全需求用户U1的有效保密吞吐量表示为
Test＝RsPr(γ1，s1≥ε1，γe，s1≤εs)
在本发明的一个实施例中，在第4)步中，无人机干扰机J采用迫零方法发射人工噪声，具体为：
无人机干扰机J采用迫零法发送人工噪声信号W×v，其中W是一个N×(N-2)矩阵，N为无人机干扰机J上配备的天线数目，N≥1，该矩阵组成无人机基站S到安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信道系数hs1和hs2的零空间的正交基，v是一个(N-2)×1的人工噪声矩阵，该矩阵内的所有元素都是独立同分布的均值为0，方差为
Figure BSA0000264376880000051
的高斯随机变量，其中Pj为发送的人工噪声信号的功率。
本发明与现有的地面非正交多址系统传输方法相比，具有如下优点：
(1)能够保证传输的可靠性
无人机基站采用动态功率分配的方法，保证安全需求用户能成功进行串行干扰消除，可靠需求用户能成功解码，从而能够保证系统的可靠性。
(2)能够提升传输的安全性。
采用无人机干扰机向窃听者发送迫零方法设计的人工噪声，该噪声不影响合法信道质量，只恶化窃听者的信道窃听质量，保证信源向安全需求用户发送的信号能实现安全传输。理论分析和仿真结果表明，本发明所提出的基于动态功率分配和人工噪声的无人机非正交多址网络可靠安全传输方法能够提高系统的安全性。
(3)无人机灵活机动部署
在蜂窝基础设施方面，基站建设成本过高，由于其固定的设施，要获得较大的覆盖范围非常困难。因此，可以将无人机部署为临时空中基站，在特殊情况下(如体育赛事、音乐会、灾区、军事行动等)向地面无线设备提供服务，从而为现有网络提供服务，以扩大无线通信覆盖范围。
附图说明
图1是本发明所提出的基于动态功率分配和人工噪声的无人机非正交多址网络可靠安全传输方法的模型图；
图2是在地空信道条件下，本发明所提出的可靠安全传输方法与三种基准方法关于有效保密吞吐量的比较图；
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1)建立地空信道模型；
地空信道的视距链路概率可以表示为
Figure BSA0000264376880000061
非视距链路的概率可以表示为
Figure BSA0000264376880000062
其中
Figure BSA0000264376880000063
w是和环境有关的参数，θGF表示地空信道的仰角，则视距链路和非视距链路的平均路径损耗可以表示为：
Figure BSA0000264376880000064
其中τ表示路径损耗指数，“-τ”是“-τ次方”，ηLoS和ηNLoS都是与环境有关的参数，dGF表示地空节点之间的距离。视距信道链路的小尺度衰落为nakagami-m衰落，非视距信道链路的小尺度衰落为瑞利衰落。
2)无人机NOMA系统内用户的信噪比分析；
参照图1，设无人机NOMA系统包括无人机基站S、无人机干扰机J、安全需求用户U1、可靠需求用户U2、窃听者E；其中无人机干扰机J配有N个天线，其余节点均配有单天线，所有节点的工作模式均为半双工；E试图窃听U1的信号。
无人机基站S通过叠加编码，获得发往U1和U2的叠加信号
Figure BSA0000264376880000071
其中Ps表示基站发射功率，s1和s2分别代表发送给安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信号，α1和α2分别代表安全需求用户U1和可靠需求用户U2的功率分配因子(α1+α2＝1且α1＜α2)，γ1，s2表示安全需求用户U1上解码信号s2的信噪比
Figure BSA0000264376880000072
γ2，s2表示可靠需求用户U2上解码信号s2的信噪比，
Figure BSA0000264376880000073
其中hs1代表无人机S到安全需求用户U1的信道系数，hs2代表无人机S到可靠需求用户U2的信道系数，
Figure BSA0000264376880000074
表示基站发射功率Ps与噪声功率N0的比值。安全需求用户U1解码s1的信噪比表示为
Figure BSA0000264376880000075
3)通过动态功率分配保证无人机NOMA系统的可靠性；
为保证无人机NOMA系统的可靠性，确保安全需求用户U1能够成功解码可靠需求用户U2的信号s2，可靠需求用户U2能成功解码自己的信号，安全需求用户U1、可靠需求用户U2上解码s2的信噪比
Figure BSA0000264376880000076
需要满足
Figure BSA0000264376880000077
其中R2代表s2的编码速率。为了最大化s1的可靠传输概率，功率分配系数α1被设计为
Figure BSA0000264376880000078
其中常数
Figure BSA0000264376880000079
4)通过发射人工噪声保证无人机NOMA系统的安全性；
为提高无人机NOMA系统的安全性，防止窃听者窃听机密信息，另外部署一架无人机干扰机J(如图1所示)，无人机干扰机J采用迫零方法(段会兰，战金龙，王金伏.一种新的迫零自适应混合预编码算法[J].光通信研究，2019，1(5)：66-70.)发射人工噪声，该人工噪声被设计为不影响两个用户的接收质量而只恶化窃听者的接收质量，从而提高了该系统的物理层安全。
具体为：无人机干扰机J采用迫零法发送人工噪声信号W×v，其中W是一个N×(N-2)矩阵，N为无人机干扰机J上配备的天线数目，N≥1，该矩阵组成无人机基站S到安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信道系数hs1和hs2的零空间的正交基(网络中的合法设备可以通过探测设备，获得信道状态信息，即信道系数hs1和hs2)，v是一个(N-2)×1的人工噪声矩阵，该矩阵内的所有元素都是独立同分布的均值为0，方差为
Figure BSA0000264376880000081
的高斯随机变量，其中Pj为发送的人工噪声信号的功率。考虑最坏的情况，地面窃听者E拥有检测用户信号的多用户检测能力，并且地面窃听者E处不存在加性高斯噪声，则地面窃听者E解码s1的信噪比表示为
Figure BSA0000264376880000082
其中
Figure BSA0000264376880000083
为干扰信号功率与噪声功率的比值，hje表示无人机干扰机J到地面窃听者E的信道系数(网络中的合法设备可以通过探测设备，获得信道状态信息，即信道系数hje)，hse表示无人机基站S到地面窃听者E的信道系数。
根据上面的分析，可以得出在本发明提出的传输方法下，安全需求用户U1的连接中断概率表示为
Figure BSA0000264376880000084
其中常数
Figure BSA0000264376880000085
R1代表s1的编码速率，
Figure BSA0000264376880000086
和
Figure BSA0000264376880000087
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为视距信道的概率，
Figure BSA0000264376880000088
和
Figure BSA0000264376880000089
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为非视距信道的概率，Pr(·)表示概率函数。
安全需求用户U1的保密中断概率表示为
Figure BSA0000264376880000091
其中常数
Figure BSA0000264376880000092
Rs代表s1的目标保密率，R1-Rs代表安全需求用户U1上对抗窃听的冗余速率。P1 JE和P2 JE分别表示信道||hjeW||2为视距信道和非视距信道的概率。P1 SE、P2 SE分别表示信道|hse|2为视距信道和非视距信道的概率。
保密中断概率从窃听者处信息截获的角度描述了保密性能，采用有效保密吞吐量来进一步描述系统的保密性和可靠性，安全需求用户U1的有效保密吞吐量表示为
Test＝RsPr(γ1，s1≥ε1，γe，s1≤εs)
具体实施例
本发明的效果可通过下面仿真进一步说明：
考虑一个恶劣条件，即窃听者比用户更靠近无人机基站，设置U1，U2，S和E的位置坐标为
Figure BSA0000264376880000093
(-20，20，0)，(0，0，50)和(-5，5，0)。路径损耗指数τ设置为2.7；各节点加性高斯白噪声方差设置为N0＝-70dBm；s1、s2的编码速率分别设置为R1＝1.3、R2＝1；s1的目标保密率设置为Rs＝1.2；无人机干扰机J上配备的天线数目设置为N＝3；Ps设置为-5dBm。仿真得到了无人机NOMA系统在使用基准方案和使用本发明所提出传输方案下，有效保密吞吐量随着干扰无人机发送的功率Pj的变化曲线，其中基准方案包括如下三种：只使用动态功率分配没有人工噪声的方案-I、只使用人工噪声而采用传统的固定功率分配的方案-II(α1＝0.3，α2＝0.7)、使用提出方法的地面NOMA系统-III。
从图2可以看出，相比于固定功率分配、不发射人工噪声以及地面系统，本发明所提出的基于动态功率分配和人工噪声的无人机非正交多址网络可靠安全传输方法提高了系统的可靠性和安全性。

Claims (2)

1.一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法，其特征在于，具体包括下列步骤：
1)建立地空信道模型；
地空信道的视距链路概率表示为
Figure FSA0000264376870000011
非视距链路的概率可以表示为
Figure FSA0000264376870000012
其中
Figure FSA0000264376870000013
w是和环境有关的参数，θGF表示地空信道的仰角，则视距链路和非视距链路的平均路径损耗表示为：
Figure FSA0000264376870000014
其中τ表示路径损耗指数，“-τ”是“-τ次方”，ηLoS和ηNLoS都是与环境有关的参数，dGF表示地空节点之间的距离；视距信道链路的小尺度衰落为nakagami-m衰落，非视距信道链路的小尺度衰落为瑞利衰落；
2)无人机NOMA系统内用户的信噪比分析；
无人机NOMA系统包括无人机基站S、无人机干扰机J、安全需求用户U1、可靠需求用户U2、窃听者E；其中无人机干扰机J配有N个天线，其余节点均配有单天线，所有节点的工作模式均为半双工；E试图窃听U1的信号；
无人机基站S通过叠加编码，获得发往U1和U2的叠加信号
Figure FSA0000264376870000015
其中Ps表示基站发射功率，s1和s2分别代表发送给安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信号，α1和α2分别代表安全需求用户U1和可靠需求用户U2的功率分配因子，α1+α2＝1且α1＜α2，γ1，s2表示安全需求用户U1上解码信号s2的信噪比
Figure FSA0000264376870000016
γ2，s2表示可靠需求用户U2上解码信号s2的信噪比，
Figure FSA0000264376870000017
其中hs1代表无人机S到安全需求用户U1的信道系数，hs2代表无人机S到可靠需求用户U2的信道系数，
Figure FSA0000264376870000018
表示基站发射功率Ps与噪声功率N0的比值；安全需求用户U1解码s1的信噪比表示为
Figure FSA0000264376870000027
3)通过动态功率分配保证无人机NOMA系统的可靠性；
为保证无人机NOMA系统的可靠性，确保安全需求用户U1能够成功解码可靠需求用户U2的信号s2，可靠需求用户U2能成功解码自己的信号，安全需求用户U1、可靠需求用户U2上解码s2的信噪比
Figure FSA0000264376870000021
需要满足
Figure FSA0000264376870000022
其中R2代表s2的编码速率；为了最大化s1的可靠传输概率，功率分配系数α1被设计为
Figure FSA0000264376870000023
其中常数
Figure FSA0000264376870000024
4)通过发射人工噪声保证无人机NOMA系统的安全性；
为提高无人机NOMA系统的安全性，防止窃听者窃听机密信息，另外部署一架无人机干扰机J，无人机干扰机J采用迫零方法发射人工噪声，该人工噪声被设计为不影响两个用户的接收质量而只恶化窃听者的接收质量；
考虑最坏的情况，地面窃听者E拥有检测用户信号的多用户检测能力，并且地面窃听者E处不存在加性高斯噪声，则地面窃听者E解码s1的信噪比表示为
Figure FSA0000264376870000025
其中
Figure FSA0000264376870000026
为干扰信号功率与噪声功率的比值，hje表示无人机干扰机J到地面窃听者E的信道系数，hse表示无人机基站S到地面窃听者E的信道系数；
则安全需求用户U1的连接中断概率表示为
Figure FSA0000264376870000031
其中常数
Figure FSA0000264376870000032
R1代表s1的编码速率，
Figure FSA0000264376870000033
和
Figure FSA0000264376870000034
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为视距信道的概率，
Figure FSA0000264376870000035
和
Figure FSA0000264376870000036
分别表示信道|hs1|2、|hs2|2为非视距信道的概率，Pr(·)表示概率函数；
安全需求用户U1的保密中断概率表示为
Figure FSA0000264376870000037
其中常数
Figure FSA0000264376870000038
Rs代表s1的目标保密率，R1-Rs代表安全需求用户U1上对抗窃听的冗余速率；P1 JE和P2 JE分别表示信道||hjeW||2为视距信道和非视距信道的概率；P1 SE、P2 SE分别表示信道|hse|2为视距信道和非视距信道的概率；
保密中断概率从窃听者处信息截获的角度描述保密性能，采用有效保密吞吐量来进一步描述系统的保密性和可靠性，安全需求用户U1的有效保密吞吐量表示为
Test＝RsPr(γ1，s1≥ε1，γe，s1≤εs)。
2.如权利要求1所述的无人机非正交多址网络可靠安全传输方法，其特征在于，在第4)步中，无人机干扰机J采用迫零方法发射人工噪声，具体为：
无入机干扰机J采用迫零法发送人工噪声信号W×v，其中W是一个N×(N-2)矩阵，N为无人机干扰机J上配备的天线数目，N≥1，该矩阵组成无人机基站S到安全需求用户U1和可靠需求用户U2的信道系数hs1和hs2的零空间的正交基，v是一个(N-2)×1的人工噪声矩阵，该矩阵内的所有元素都是独立同分布的均值为0，方差为
Figure FSA0000264376870000041
的高斯随机变量，其中Pj为发送的人工噪声信号的功率。
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