CN114665949A - 一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法 - Google Patents

一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法 Download PDF

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CN114665949A CN202210222123.4A CN202210222123A CN114665949A CN 114665949 A CN114665949 A CN 114665949A CN 202210222123 A CN202210222123 A CN 202210222123A CN 114665949 A CN114665949 A CN 114665949A
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    • H04W52/34—TPC management, i.e. sharing limited amount of power among users or channels or data types, e.g. cell loading

Abstract

本发明提供了一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，包括：搭建一个存在随机窃听者的无人机对地通信系统，无人机对地通信系统包括源节点S、目标节点D、无人机中继节点R、能量信标节点B和窃听节点Ek，无人机上配备能量收集装置，将能量信标节点发射的射频信号转换为能量，辅助源节点到目的节点的通信；定义无人机、窃听者以及源节点和信标节点坐标并对窃听者位置进行误差分析；确定优化问题的目标函数(P1)，通过联合优化无人机的发射功率和飞行轨迹，使得系统在窃听信道最好情况下的保密速率最大；对目标函数(P1)进行求解，得到最优解。本发明联合优化了能量收集型无人机的发射功率和飞行轨迹，大大提高了无人机通信系统的物理层安全性。

Description

一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法
技术领域
本发明涉及无人机通信技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法。
背景技术
无人机具有成本低、机动性高、部署迅速、覆盖范围广等优点，在无线传感器网络、灾难救援和航空摄影等许多实际场景中发挥着重要作用。特别是在无线通信系统中，无人机的应用可以有效地提高吞吐量，增强安全性能，扩大通信距离等等。然而，尽管视距链路占主导地位的传输在无人机通信中提供了更好的通信质量，它还极易受到地面非法通信节点造成的窃听、干扰和截断等严重安全威胁。这会导致机密信息泄露和通信质量下降。因此，如何保证无人机通信系统中信息传输的安全性成为一个具有挑战性的问题。
由于通信网络中的大多数设备(如中继、移动用户等)都需要外界电池供能，电池容量有限很容易受到限制，需要通过充电来保持设备的正常工作，但在大多数情况下，传统的充电方式很难实现，如极端的天气条件和恶劣的环境；另一方面，电池本身也会随着时间的推移而老化，需要定期更换。电池更换过程需要耗费大量的人力和物力，而旧电池的不当处理会污染环境。因此，如何在减少环境污染的前提下，为高耗能设备提供持续稳定的电能供应，是提高无线网络通信质量、延长无线网络服务时间的关键。
近年来，在保证通信质量的前提下，学者们提出了两种思路来缓解能源短缺的问题。其一是通过提高通信网络的能效来降低能耗，其二便是能量收集技术。前者是借助一些无线通信技术合理地分配有限资源，以达到降低能耗的目的，如MIMO、协作通信、网络编码技术等。后者主张从周边环境中采集可再生的能源给通信网络中的节点供电，它不仅能获取能量而且这些能量是可再生、可持续的。与前者相比，显然能量收集技术不仅能提高系统频谱利用率，而且对节能、环境的负面影响最小。它也是目前相对安全、经济效益最高、最合适的解决方案。
发明内容
针对目前存在的问题，本文提出一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，从而提高无人机通信系统的安全传输速率，保证物理层安全。
区别于现有的处理方法，本发明的改进方法是：(1)搭建一个存在多个随机窃听者的无人机对地通信系统，通过误差估计，获取随机窃听者的位置。(2)引入能量采集技术，无人机上配备能量收集装置，采用时间切换(Time Switching，TS)型接收模式，将能量信标节点发射的射频信号转换为能量，辅助源节点在存在窃听者的情况下安全解码转发信号给目的节点。(3)提出了一种联合无人机发射功率和飞行轨迹的优化算法。
本发明所述的方法有益效果是：(1)在信道状态信息不明确的情况下，不需要知道窃听者精确位置也可进行利用无人机进行规避。(2)引入能量收集技术之后提高了下行链路信道容量，无人机的发射功率以及飞行时间，提高了系统安全传输速率，保证了无人机通信系统的物理层安全，具有较高的理论价值和实际意义。
附图说明
图1是本发明的一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法执行流程图。
图2是本发明的无人机对地通信系统模型示意图。
图3是本发明中无人机能量采集过程。
图4是实施例中的无人机飞行轨迹图。
图5是实施例中本发明与传统方式系统总保密率对比图。
具体实施方式
下面结合附图1的流程，详细说明本发明一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供的一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，包括：
步骤1：搭建一个存在多个随机窃听者的无人机对地通信系统如图2所示，所述无人机对地通信系统包括源节点S、目标节点D、无人机中继节点R、能量信标节点B和窃听节点Ek，所述无人机上配备能量收集装置，将能量信标节点发射的射频信号转换为能量，辅助源节点在存在窃听者的情况下安全解码转发信号给目的节点，用Ek表示第k个窃听者，
Figure BSA0000268121380000031
用T表示无人机整个飞行周期，将T离散化，等分为N个通信时隙δt，即T＝Nδt。
在本实施例中，如图3所示，上述步骤1中的能量采集过程如下：
a、假设一次完整的信息传输需要时间Ts，无人机采用时间切换TS型接收模式从能量信标节点采集能量，耗时αTs/2，采集到的能量
Figure BSA0000268121380000032
其中α(0＜α＜1)表示TS因子，η(0＜η＜1)表示能量转换技术的效率，Pb表示能量信标节点的发射功率，hbr[n]表示第n个时隙能量信标节点到无人机的信道增益，
Figure BSA0000268121380000033
β0表示在距离d0＝1米时的参考信道功率增益，
Figure BSA0000268121380000034
表示能量信标节点到无人机之间的距离。
b、无人机对接收的源节点信号进行信息解码，耗时(1-α)Ts/2。
c、无人机将解码后的信号转发至目的节点，耗时(1-α)Ts/2，无人机发射功率为Pr[n]＝(2ηPb[hbr[n]|2α)/(1-α)。
步骤2：利用离散化的时隙定义无人机和随机窃听者的三维坐标，所述无人机的三维坐标表示为
Figure BSA0000268121380000041
其中无人机的初始坐标
Figure BSA0000268121380000042
无人机的最终坐标
Figure BSA0000268121380000043
所述K个随机窃听者的三维坐标表示为
Figure BSA0000268121380000044
并对窃听者位置进行误差分析，源节点的坐标表示为qs＝(xs，ys，0)T，目的节点的坐标表示为qd＝(xd，yd，0)T，能量信标节点坐标表示为qb＝(xb，yb，0)T。
步骤3：定义无人机轨迹
Figure BSA0000268121380000045
无人机发射功率
Figure BSA0000268121380000046
源节点发射功率
Figure BSA0000268121380000047
窃听信道最好条件下窃听者坐标
Figure BSA0000268121380000048
确定优化问题的目标函数(P1)，通过在所有时间段内对无人机轨迹和功率进行联合优化，使得系统在窃听信道最好情况下的保密速率最大，所述目标函数(P1)表示为：
(P1)：
Figure BSA0000268121380000049
s.t.||qr[1]-q0||2≤L2
||qr[n]-qr[n-1]||2≤L2，
Figure BSA00002681213800000410
||qF-qr[N]||2≤L2
Pr[n]≥0，
Figure BSA00002681213800000411
Ps[n]≥0，
Figure BSA00002681213800000412
Figure BSA00002681213800000413
Figure BSA00002681213800000414
Figure BSA0000268121380000051
Figure BSA0000268121380000052
其中，Rsec表示总的安全传输速率，
Figure BSA0000268121380000053
Rrd[n]表示第n个时隙无人机到目的节点D的传输速率，
Figure BSA0000268121380000054
表示第n个时隙无人机到窃听信道最好条件下的地面窃听者Ek的传输速率，
Figure BSA0000268121380000055
Rsr[n]表示第n个时隙源节点到无人机的传输速率，
Figure BSA0000268121380000056
其中，γ＝β0/σ2是归一化信道功率增益，||·||表示欧几里德范数，L表示无人机在每个时隙的最大飞行距离，L＝Vmaxδt，Vmax表示无人机最大飞行速度，Pr[n]表示无人机中继在第n个时隙向目的节点发送的功率，Ps[n]表示源节点在第n个时隙向无人机中继发送的功率，
Figure BSA0000268121380000057
和
Figure BSA0000268121380000058
分别表示源节点和无人机中继的平均功率极限，
Figure BSA0000268121380000059
表示无人机发射的最大功率。
a、采用如下方式对第一子问题的无人机发射功率进行优化：给定无人机的初始轨迹
Figure BSA00002681213800000510
设
Figure BSA00002681213800000511
问题(P1)表述为：
Figure BSA00002681213800000512
对(P1)中的
Figure BSA00002681213800000513
引入Lagrange乘子λ，对
Figure BSA00002681213800000514
引入Lagrange乘子μ，根据凸优化理论中的Karush-kuhn-Tucker(KKT)条件有：
λ≥0
Pr[n]≥0，
Figure BSA00002681213800000515
μ≥0
μPr[n]＝0，
Figure BSA0000268121380000061
Figure BSA0000268121380000062
联立消去松弛变量μ：
Figure BSA0000268121380000063
当
Figure BSA0000268121380000064
时，只有当Pr[n]＝0时，等式成立，当
Figure BSA0000268121380000065
时，Pr[n]可求得：
Figure BSA0000268121380000066
其中：
Figure BSA0000268121380000067
b、采用如下方式对第二子问题的无人机飞行轨迹进行优化：
给定无人机的初始发射功率
Figure BSA0000268121380000068
设ηm[n]、ξm[n]分别是无人机从第m次迭代到第m+1次迭代的第n个轨迹锚点上的x轴方向上的轨迹变化量和y轴方向上的轨迹变化量，设
Figure BSA0000268121380000069
引入松弛变量
Figure BSA00002681213800000610
和trd[n]对无人机飞行轨迹进行优化，并运用一阶泰勒展开式构造Rsr[n]、Rrd[n]、
Figure BSA00002681213800000611
ηm[n]和ξm[n]的下界
Figure BSA00002681213800000612
和
Figure BSA00002681213800000613
通过变换将(P1)中的非凸约束转化为凸约束，第m次迭代时最优飞行轨迹子问题为(P2)：
(P2)
Figure BSA00002681213800000614
s.t.
Figure BSA00002681213800000615
Figure BSA0000268121380000071
Figure BSA0000268121380000072
Figure BSA0000268121380000073
Figure BSA0000268121380000074
trd[n]≥0，n＝2，...，N
Figure BSA0000268121380000075
Figure BSA0000268121380000076
步骤4：对目标函数(P1)进行求解，得到最优的最小安全传输速率之和。
由于轨迹设计和功率分配的耦合性，使得保密率最大化问题难以解决。因此，我们提出了一种交替优化方法，其中轨迹设计和功率分配是以交替的方式进行的。
a、将目标函数(P1)优化为两个子问题，所述第一个子问题为优化无人机的发射功率，所述第二个子问题为优化无人机的飞行轨迹。
b、分别对第一和第二子问题进行优化。
c、采用离散线性状态空间近似法、逐次凸逼近算法和交替迭代算法求解两个子问题，直到算法收敛，得到最终解，即最优的最小安全传输速率之和。
下文通过一个实例对本发明进行分析。无人机对地通信系统，同时存在K个窃听节点试图从无人机中继窃取合法信息，这个系统中包括一个源节点S、一个目的节点D、三个窃听节点Ek、一个能量信标节点B和一个无人机中继R，所有的终端都配有单天线。由于山或建筑物造成的严重的堵塞的情况，从源节点S到目的节点D和窃听节点Ek之间的直接联系可忽略不计。无人机上配备能量收集装置，将能量信标节点发射的射频信号转换为能量，辅助源节点到目的节点的通信。假设元人机移动中继具有足够大的缓冲区，并且是在频分双工模式下工作，为数据传输和接收分配相等的带宽。
无人机的飞行轨迹是从初始位置到最终位置，其中初始和最终位置分为
Figure BSA0000268121380000081
和
Figure BSA0000268121380000082
且源节点、能量信标节点和目的节点的位置分别为(0，0，0)、(400，200，0)和(800，0，0)。无人机最大飞行速度Vmax为50m/s，加性高斯白噪声功率谱密度为-110dBm/Hz，参考信道功率增益β0为80dB，窃听者的误差半径rk为50m，源节点和无人机中继的平均功率极限
Figure BSA0000268121380000083
采用传统的二维飞行轨迹优化方案和本发明的上述优化方案分别进行优化后得到如图4和图5的仿真效果图。其中图4中的三个星号代表窃听者的估计坐标。由图4可以看出，当无人机采用了能量收集技术后，无人机系统信道容量增加，飞行时间也增加，无人机有更大的飞行范围，为了规避窃听用户的窃听以最大限度的提升系统保密率，无人机向下凹或者向上凸字型飞，使得无人机可以更好的远离窃听者，接近目的地节点。图5通过比较可以看出本发明提出的基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，始终比其他三种方法要好，与联合优化但是没有使用能量收集技术相比，系统总保密率最高提高了0.8282bps/Hz，具有较高的理论价值和实际意义。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等流程变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：搭建一个存在多个随机窃听者的无人机对地通信系统，所述无人机对地通信系统包括源节点S、目标节点D、无人机中继节点R、能量信标节点B和窃听节点Ek，所述无人机上配备能量收集装置，将能量信标节点发射的射频信号转换为能量，辅助源节点在存在窃听者的情况下安全解码转发信号给目的节点，用Ek表示第k个窃听者，
Figure FSA0000268121370000011
用T表示无人机整个飞行周期，将T离散化，等分为N个通信时隙δt，即T＝Nδt；
步骤二：利用离散化的时隙定义无人机和随机窃听者的三维坐标，所述无人机的三维坐标表示为
Figure FSA0000268121370000012
其中无人机的初始坐标
Figure FSA0000268121370000013
无人机的最终坐标
Figure FSA0000268121370000014
所述K个随机窃听者的三维坐标表示为
Figure FSA0000268121370000015
并对窃听者位置进行误差分析，源节点的坐标表示为qs＝(xs，ys，0)T，目的节点的坐标表示为qd＝(xd，yd，0)T，能量信标节点坐标表示为qb＝(xb，yb，0)T；
步骤三：定义无人机轨迹
Figure FSA0000268121370000016
无人机发射功率
Figure FSA0000268121370000017
源节点发射功率
Figure FSA0000268121370000018
窃听信道最好条件下窃听者坐标
Figure FSA0000268121370000019
确定优化问题的目标函数(P1)，通过在所有时间段内对无人机轨迹和功率进行联合优化，使得系统在窃听信道最好情况下的保密速率最大，所述目标函数(P1)表示为：
Figure FSA00002681213700000110
s.t.||qr[1]-q0||2≤L2
Figure FSA00002681213700000111
||qF-qr[N]||2≤L2
Figure FSA0000268121370000021
Figure FSA0000268121370000022
Figure FSA0000268121370000023
Figure FSA0000268121370000024
Figure FSA0000268121370000025
Figure FSA0000268121370000026
其中，Rsec表示总的安全传输速率，
Figure FSA0000268121370000027
Rrd[n]表示第n个时隙无人机到目的节点D的传输速率，
Figure FSA0000268121370000028
表示第n个时隙无人机到窃听信道最好条件下的地面窃听者Ek的传输速率，
Figure FSA0000268121370000029
Rsr[n]表示第n个时隙源节点到无人机的传输速率，
Figure FSA00002681213700000210
其中，γ＝β0/σ2是归一化信道功率增益，||·||表示欧几里德范数，L表示无人机在每个时隙的最大飞行距离，L＝Vmaxδt，Vmax表示无人机最大飞行速度，Pr[n]表示无人机中继在第n个时隙向目的节点发送的功率，Ps[n]表示源节点在第n个时隙向无人机中继发送的功率，
Figure FSA00002681213700000211
和
Figure FSA00002681213700000212
分别表示源节点和无人机中继的平均功率极限，
Figure FSA00002681213700000213
表示无人机发射的最大功率；
步骤四：对目标函数(P1)进行求解，得到最优的最小安全传输速率之和。
2.根据权利要求1所述的一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，其特征在于，假设一次完整的信息传输需要时间Ts，步骤一所述无人机从能量信标节点获取能量，辅助源节点在存在窃听者的情况下安全解码转发信号给目的节点过程如下：
步骤一：无人机采用时间切换(Time Switching，TS)型接收模式从能量信标节点采集能量，耗时αTs/2，采集到的能量
Figure FSA0000268121370000031
其中α(0＜α＜1)表示TS因子，η(0＜η＜1)表示能量转换技术的效率，Pb表示能量信标节点的发射功率，hbr[n]表示第n个时隙能量信标节点到无人机的信道增益，
Figure FSA0000268121370000032
β0表示在距离d0＝1米时的参考信道功率增益，
Figure FSA0000268121370000033
表示能量信标节点到无人机之间的距离；
步骤二：无人机对接收的源节点信号进行信息解码，耗时(1-α)Ts/2；
步骤三：无人机将解码后的信号转发至目的节点，耗时(1-α)Ts/2，无人机发射功率为Pr[n]＝(2ηPb|hbt[n]|2α)/(1-α)。
3.根据权利要求1所述的一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：
步骤一：采用如下方式对第一子问题的无人机发射功率进行优化：给定无人机的初始轨迹
Figure FSA0000268121370000034
设
Figure FSA0000268121370000035
问题(P1)表述为：
Figure FSA0000268121370000036
对(P1)中的
Figure FSA0000268121370000037
引入Lagrange乘子λ，对
Figure FSA0000268121370000038
引入Lagrange乘子μ，根据凸优化理论中的Karush-kuhn-Tucker(KKT)条件有：
λ≥0
Figure FSA0000268121370000039
μ≥0
Figure FSA0000268121370000041
Figure FSA0000268121370000042
联立消去松弛变量μ：
Figure FSA0000268121370000043
当
Figure FSA0000268121370000044
时，只有当Pr[n]＝0时，等式成立，当
Figure FSA0000268121370000045
时，Pr[n]可求得：
Figure FSA0000268121370000046
其中：
Figure FSA0000268121370000047
步骤二：采用如下方式对第二子问题的无人机飞行轨迹进行优化：
给定无人机的初始发射功率
Figure FSA0000268121370000048
设ηm[n]、ξm[n]分别表示无人机从第m次迭代到第m+1次迭代，第n个时隙x轴方向上的轨迹变化量和y轴方向上的轨迹变化量，设
Figure FSA0000268121370000049
引入松弛变量
Figure FSA00002681213700000410
和trd[n]对无人机飞行轨迹进行优化，并运用一阶泰勒展开式构造Rsr[n]、Rrd[n]、
Figure FSA00002681213700000411
ηm[n]和ξm[n]的下界
Figure FSA00002681213700000412
和
Figure FSA00002681213700000413
通过变换将(P1)中的非凸约束转化为凸约束，第m次迭代时最优飞行轨迹子问题为(P2)：
Figure FSA00002681213700000414
Figure FSA00002681213700000415
Figure FSA00002681213700000416
Figure FSA0000268121370000051
Figure FSA0000268121370000052
Figure FSA0000268121370000053
trd[n]≥0，n＝2，...，N
Figure FSA0000268121370000054
Figure FSA0000268121370000055
4.根据权利要求1所述的一种基于物理层安全的能量收集型无人机通信方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：
步骤一：将目标函数(P1)优化为两个子问题，所述第一个子问题为优化无人机的发射功率，所述第二个子问题为优化无人机的飞行轨迹；
步骤二：分别对第一和第二子问题进行优化；
步骤三：采用离散线性状态空间近似法、序列凸规划算法和交替迭代算法求解两个子问题，直到算法收敛，得到最终解，即最优的最小安全传输速率之和。
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