CN114268351A - 基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 - Google Patents
基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114268351A CN114268351A CN202111612221.0A CN202111612221A CN114268351A CN 114268351 A CN114268351 A CN 114268351A CN 202111612221 A CN202111612221 A CN 202111612221A CN 114268351 A CN114268351 A CN 114268351A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reflecting surface
- user
- aerial vehicle
- unmanned aerial
- intelligent reflecting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 12
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 12
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 claims description 3
- 230000017105 transposition Effects 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
Abstract
一种基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，无人机智能反射面辅助的无线通信系统由一个基站，一个无人机智能反射面，K个合法用户和一个窃听者组成，基站使用波束成形技术，将所用用户的信息数据同时以相同频带发送，无人机智能反射面将收到的基站信号进行一定的相移后反射出去，用户和窃听者分别对收到的信号进行解码；计算用户k在接收其数据时的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k，从而获得系统中每个用户的保密速率Rsec,k；用户和窃听者分别对收到的信号进行解码。本发明提供一种能够有效抵抗窃听者窃听基站发送给多用户信息的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域中的物理层安全技术领域，特别是一种智能反射面中继物理层安全通信方法。
背景技术
随着科技的发展，无线通信网络越来越成熟，但是由于无线信道的广播性和开放性，无线通信信号的安全传输越来越受到学术界的重视。智能反射面由大量的无源反射单元组成，能够智能配置无线信号的传播环境，每个反射单元都能以软件控制的方式调整接收信号的相移和幅度，通过联合控制所有反射元件的相移，改变反射信号的传输方向，从而提高通信系统的安全传输。无人机智能反射面可以利用无人机高灵活性、易调度等优势，为智能反射面的位置部署提供更多的自由度，进一步提高无线通信系统的安全传输性能。
现有基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法未考虑下行链路多用户情况时的安全通信问题，然而通常下行链路的信息数据较大，遭受窃听的损失更大，且多用户情况时系统安全通信问题研究更为复杂。
发明内容
为了克服现有基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法未考虑下行链路多用户情况时的安全通信问题的不足，本发明提供一种能够有效抵抗窃听者窃听基站发送给多用户信息的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，无人机智能反射面辅助的无线通信系统由一个基站，一个无人机智能反射面，K个合法用户和一个窃听者组成，所述基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法包括以下步骤：
1)基站使用波束成形技术，将所用用户的信息数据同时以相同频带发送，无人机智能反射面将收到的基站信号进行一定的相移后反射出去，用户和窃听者分别对收到的信号进行解码；
2)计算用户k在接收其数据时的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k，从而获得系统中每个用户的保密速率Rsec，k；
无人机智能反射面和K个用户之间的位置优化和无线资源分配问题建模为：
满足以下条件
0≤xu≤X，0≤yu≤Y (2)
θn∈[0,2π],n＝1,...,N (4)其中，wu＝[xu,yu]T表示无人机水平位置，xu和yu分别表示无人机水平位置的横坐标和纵坐标，W＝[ω1,...,ωK]表示基站对于所有用户数据的波束成形向量的集合，ωk表示基站对于第k个用户数据的波束成形向量，X和Y表示无人机服务区域最大的横坐标和纵坐标，P表示基站的最大发射功率，
表示智能反射面的相移矩阵，θn表示智能反射面中第n个反射单元的相移，N表示智能反射面中反射单元数量；
使用连续凸优化方法和交替优化思想，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机智能反射面的位置，然后优化智能反射面的相移和基站的波束成形向量，通过泰勒一阶展开方法将非凸子问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
进一步，所述步骤2)中，从基站到用户k的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k分别表示为
rk＝log2(1+γk) (5)
re,k＝log2(1+γe,k) (6)
其中γk和γe，k分别表示用户k和窃听者处的信干噪比，分别表示为
其中
和
分别为在用户k和窃听者处的噪声功率，
和
分别表示智能反射面和用户k，基站和智能反射面，智能反射面和窃听者之间信道系数的转置；
系统中每个用户k的保密速率表示为
Rsec,k＝max(rk-re,k,0) (9)。
本发明的技术构思为：现有的无人机智能反射面辅助的安全通信方法未考虑下行链路多用户情况时的安全通信问题。然而通常下行链路的信息数据较大，遭受窃听的损失更大，且多用户情况时系统安全通信问题研究更为复杂。本专利方法提供一种能够抵抗窃听者窃听基站发送给多用户信息的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法。通过优化无人机智能反射面的位置、相移以及基站的波束成形向量，能够有效提高系统的安全通信性能。
本发明的有益效果主要表现在：解决现有基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法中未考虑下行链路多用户情况时的安全通信问题，通过优化无人机智能反射面的位置、相移以及基站的波束成形向量来提高系统的安全通信性能。
附图说明
图1是本发明的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法系统模型示意图；
图2是本发明在不同的无人机高度下系统最小保密速率随着智能反射面反射单元数量的变化图；
图3是本发明在不同的智能反射面反射单元数量下系统最小保密速率随着基站天线数量的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，是基于现有无人机智能反射面辅助的无线通信系统实现的，所述无人机智能反射面辅助的无线通信系统由一个基站、一个无人机智能反射面、一个窃听者和K个合法用户组成。
本实施方式的方法中，基站使用波束成形技术，将所用用户的信息数据同时以相同频带发送，无人机智能反射面将收到的基站信号进行一定的相移后反射出去，用户和窃听者分别对收到的信号进行解码；计算每个用户对相应用户数据的信息速率的和窃听者对不同用户数据的窃听速率，从而获得系统中每个用户的保密速率。
本实施例中，从基站到用户k的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k分别表示为
rk＝log2(1+γk) (5)
re,k＝log2(1+γe,k) (6)
其中γk和γe,k分别表示用户k和窃听者处的信干噪比，分别表示为
其中
和
分别为在用户k和窃听者处的噪声功率，
和
分别表示智能反射面和用户k，基站和智能反射面，智能反射面和窃听者之间信道系数的转置，
表示智能反射面的相移矩阵，θn表示智能反射面中第n个反射单元的相移；
系统中每个用户k的保密速率表示为
Rsec,k＝max(rk-re,k,0) (9)
本实施例中，无人机轨迹优化和无线资源分配方法具体为：
无人机和K个用户之间的位置优化和无线资源分配问题建模为：
满足以下条件
0≤xu≤X,0≤yu≤Y (2)
θn∈[0,2π],n=1,...,N (4)
其中wu=[xu,yu]T表示无人机水平位置，xu和yu分别表示无人机水平位置的横坐标和纵坐标，W＝[ω1，...,ωK]表示基站对与所有用户数据的波束成形向量的集合，ωk表示基站对于第k个用户数据的波束成形向量，X和Y表示无人机服务区域最大的横坐标和纵坐标，P表示基站的最大发射功率，N表示智能反射面中反射单元的数量；
使用连续凸优化方法和交替优化思想，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机智能反射面的位置，然后优化智能反射面的相移和基站的波束成形向量，通过泰勒一阶展开方法将非凸子问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
本实施例的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，解决现有基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法中未考虑下行链路多用户情况时的安全通信问题，通过优化无人机智能反射面的位置、智能反射面的相移以及基站的波束成形向量来提高系统的安全通信性能。
在本实施例中，无人机到基站、无人机到用户和窃听者的传输信道均假设为视距传输信道，基站水平位置为[0,0]T，高度为20m，用户1水平位置为[10,100]T，用户2水平位置为[20,80]T，窃听者位置为[80,0]T，用户和窃听者均位于地面。
图2显示了智能反射面反射单元数量的增大，系统最小保密速率随之增加，同时无人机高度的增加会降低系统最小保密速率。
图3显示了随着基站天线数量的增加，系统最小保密速率随之增加。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，无人机智能反射面辅助的无线通信系统由一个基站，一个无人机智能反射面，K个合法用户和一个窃听者组成，其特征在于，所述基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法包括以下步骤：
1)基站使用波束成形技术，将所用用户的信息数据同时以相同频带发送，无人机智能反射面将收到的基站信号进行一定的相移后反射出去，用户和窃听者分别对收到的信号进行解码；
2)计算用户k在接收其数据时的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k，从而获得系统中每个用户的保密速率Rsec,k；
无人机智能反射面和K个用户之间的位置优化和无线资源分配问题建模为：
满足以下条件
0≤xu≤X,0≤yu≤Y (2)
θn∈[0,2π],n＝1,...,N (4)
其中，wu＝[xu,yu]T表示无人机水平位置，xu和yu分别表示无人机水平位置的横坐标和纵坐标，W＝[ω1,...,ωK]表示基站对于所有用户数据的波束成形向量的集合，ωk表示基站对于第k个用户数据的波束成形向量，X和Y表示无人机服务区域最大的横坐标和纵坐标，P表示基站的最大发射功率，
表示智能反射面的相移矩阵，θn表示智能反射面中第n个反射单元的相移，N表示智能反射面中反射单元的数量；
使用连续凸优化方法和交替优化思想，将上述问题转化为两个子问题，首先优化无人机智能反射面的位置，然后优化智能反射面的相移和基站的波束成形向量，通过泰勒一阶展开方法将非凸子问题转化为凸优化问题，然后进行迭代求解，获得问题的优化解。
2.如权利要求1所述的基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，从基站到用户k的信息速率rk和窃听者对于用户k数据的窃听速率re,k分别表示为
rk＝log2(1+γk) (5)
re,k＝log2(1+γe,k) (6)
其中γk和γe,k分别表示用户k和窃听者处的信干噪比，分别表示为
其中
和
分别为在用户k和窃听者处的噪声功率，
和
分别表示智能反射面和用户k，基站和智能反射面，智能反射面和窃听者之间信道系数的转置；
系统中每个用户k的保密速率表示为
Rsec,k＝max(rk-re,k,0) (9)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111612221.0A CN114268351A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111612221.0A CN114268351A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114268351A true CN114268351A (zh) | 2022-04-01 |
Family
ID=80830352
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111612221.0A Pending CN114268351A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114268351A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114928838A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-19 | 重庆邮电大学 | 一种智能反射表面辅助的共生通信信息传输系统和方法 |
| CN115412159A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-11-29 | 大连理工大学 | 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法 |
| CN118041415A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 国网上海市电力公司 | 提升架空线路带电作业中无人机控制稳定性的装置及方法 |
-
2021
- 2021-12-27 CN CN202111612221.0A patent/CN114268351A/zh active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114928838A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-19 | 重庆邮电大学 | 一种智能反射表面辅助的共生通信信息传输系统和方法 |
| CN114928838B (zh) * | 2022-04-29 | 2024-05-28 | 重庆邮电大学 | 一种智能反射表面辅助的共生通信信息传输系统和方法 |
| CN115412159A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-11-29 | 大连理工大学 | 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法 |
| CN115412159B (zh) * | 2022-09-01 | 2023-10-13 | 大连理工大学 | 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法 |
| CN118041415A (zh) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 国网上海市电力公司 | 提升架空线路带电作业中无人机控制稳定性的装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114268351A (zh) | 基于无人机智能反射面辅助的安全通信方法 | |
| CN109587690A (zh) | 无人机辅助认知卫星地面通信网络多点协作传输方法 | |
| CN112104494B (zh) | 基于空地协同边缘计算网络的任务安全卸载策略确定方法 | |
| CN113873575B (zh) | 智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法 | |
| CN114051204B (zh) | 一种基于智能反射面的无人机辅助通信方法 | |
| CN114286312A (zh) | 一种基于可重构智能表面增强无人机通信的方法 | |
| Han et al. | UAV-aided backscatter communications: Performance analysis and trajectory optimization | |
| CN104104425A (zh) | 一种基于期望与干扰信号关系的多用户mimo自适应接收方法 | |
| CN114630328A (zh) | 基于智能反射面的非正交多址安全传输中主被动波束赋形协同设计方法 | |
| Yamazaki et al. | Proposal for a user-centric RAN architecture towards beyond 5G | |
| Bansal et al. | RIS selection scheme for UAV-based multi-RIS-aided multiuser downlink network with imperfect and outdated CSI | |
| CN111901812A (zh) | 一种全双工蜂窝通信网基站和智慧反射面联合控制方法 | |
| Liu et al. | Joint resource optimization for UAV-enabled multichannel Internet of Things based on intelligent fog computing | |
| CN103516410A (zh) | 一种利用有源天线系统实现下行数据发射方法及装置 | |
| CN114157392B (zh) | 一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法 | |
| Xu et al. | Beam-domain hybrid time-switching and power-splitting SWIPT in full-duplex massive MIMO system | |
| Liu et al. | Joint multi-UAV deployments for air–ground integrated networks | |
| CN114337902A (zh) | 一种irs辅助的毫米波多小区间干扰的抑制方法 | |
| WO2011150764A1 (zh) | 信号传输方法、装置和基站 | |
| CN107172709A (zh) | 一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法 | |
| CN101989869B (zh) | 一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法 | |
| Hao et al. | Max-min security energy efficiency optimization for RIS-aided cell-free networks | |
| Bariah et al. | On the performance of RIS-enabled NOMA for aerial networks | |
| CN110113768B (zh) | 一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法 | |
| CN116321186A (zh) | Irs辅助认知swipt系统最大和速率资源优化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |