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    電子論文

    基于認知無人機移動中繼網絡的物理層安全通信研究

    時間:2021年07月31日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:針對無線頻譜資源稀缺和空對地視距(LineofSight,LoS)鏈路的安全隱患問題,提出了一種無人機(UnmannedAerialVehicle,UAV)中繼輔助的認知無線電網絡(CognitiveRadioNetwork,CRN)安全傳輸方案,研究了在主用戶和竊聽者存在的情況下,次用戶發射機向次用戶

      摘要:針對無線頻譜資源稀缺和空對地視距(LineofSight,LoS)鏈路的安全隱患問題,提出了一種無人機(UnmannedAerialVehicle,UAV)中繼輔助的認知無線電網絡(CognitiveRadioNetwork,CRN)安全傳輸方案,研究了在主用戶和竊聽者存在的情況下,次用戶發射機向次用戶接收機發送機密信息,UAV充當解碼轉發移動中繼協助從源節點到合法目的節點的機密傳輸。目的是在源節點和中繼節點的功率約束下,通過優化UAV中繼的飛行軌跡、發射功率來實現保密率最大化。由于設計問題是非凸的,采用構造非凸約束代理函數的方法,將原問題近似為凸約束,并利用一種基于連續凸逼近的迭代算法來求解。仿真結果表明,相較于靜態中繼和無優化方案,本文所提的聯合優化方案不僅獲得UAV飛行的最佳路徑,同時系統的平均保密率分別是傳統方案的1.06倍和2.88倍。

      關鍵詞:無人機;視距鏈路;移動中繼;認知無線電網絡;平均保密率

    無人機

      引言第五代移動通信和下一代網絡技術的快速發展,使頻譜需求急劇增長,無線頻譜資源愈加稀缺,認知無線電(CognitiveRadio,CR)已被廣泛認為是一種提升無線頻譜利用率的有效方法[1]。除CR技術外,中繼協同(RelayCooperation,RC)傳輸是另一種提升無線通信系統性能的方法[2]。中繼協同的無線通信可以改善鏈路質量和可靠性以及增加網絡覆蓋范圍等[3]。

      因此,將CR和RC技術結合起來,構成的認知-中繼協同(CR-RC)通信系統可以提升無線電頻譜資源的利用率[4]。此外,由于無線信道的開放性,無線網絡的安全通信是當下研究熱點。近年來,無人機(UnmannedAerialVehicle,UAV)憑借其高機動性、按需部署和視距鏈路(LineofSight,LoS)等特性給無線通信帶來了廣闊的發展前景,但UAV涉及的物理層安全通信系統面臨著挑戰[5]。文獻[6]研究了UAV作為協同干擾機,通過發送干擾信號來提高系統的安全性能。

      文獻[7]考慮當地面存在潛在竊聽者時,UAV向合法接收者發送機密信息,通過優化UAV的軌跡來提高系統的保密率。文獻[8]研究了UAV充當基站時的系統保密率,但并未考慮UAV通信系統的頻譜資源緊缺問題。文獻[9]研究了UAV作為次用戶發射機來輔助認知無線電網絡(CognitiveRadioNetwork,CRN)的物理層安全問題。由于建筑物和其它障礙物的阻塞,無線通信面臨著困難,因此,文獻[10]研究了一個兩跳無線中繼網絡的安全通信問題。提出了一種中繼輔助的通信方案來提高無線通信的質量。文獻[11]研究了多中繼網絡協同干擾技術,提出了一種聯合功率分配和中繼選擇方案。

      但傳統的靜態中繼缺乏靈活性和擴展性,而UAV中繼可以方便部署和靈活應用,調整其位置以適應環境的變化,從而顯著提高系統性能[12]。文獻[13]研究了UAV移動中繼系統通過優化軌跡來提高系統的安全性能,但UAV的發射功率是固定的。文獻[14]研究了UAV的軌跡設計和功率分配問題,以最大限度地提高中繼網絡的保密率。但采用塊坐標下降法解決問題,可能導致較高的迭代復雜度。

      文獻[15]提出了UAV中繼網絡下的聯合優化方案,但并沒有考慮到有潛在竊聽者威脅下的安全問題,并且采用的放大轉發中繼策略,在進行信息傳輸時噪聲也會被擴大。綜上,結合UAV中繼和CRN的相關研究文獻較少,因此本文提出了一種UAV輔助中繼網絡的方案,該方案中部署UAV作為認知中繼,以輔助次用戶發射機和次用戶接收機之間的信號傳輸。

      在源節點、UAV中繼節點發射功率和UAV飛行軌跡約束條件下,設計了一個聯合優化UAV飛行軌跡和發射功率方案,同時在滿足主接收機處給定的干擾閾值下使保密率最大化。由于目標函數是非凸函數,一般難以求解。本文提出了一種基于逐次優化方法的高效迭代凸逼近算法來解決所提出的非凸優化問題,即一個較低計算復雜度的內近似(InnerApproximation,IA)算法[16]。該算法可優化一系列的凸逼近程序,也可優化非線性程序。仿真結果表明,該方法在UAV不同飛行速度和竊聽者不同位置情況下均可行,同時較傳統的直線軌跡和靜態中繼策略,可以有效地提高UAV通信系統的保密率。

      2系統模型

      本文研究了一種認知UAV輔助的解碼轉發中繼竊聽信道模型。該網絡由一個認知UAV中繼(CognitiveRelay,CR)、一個次用戶發射機(SecondaryTransmitter,ST)、一個次用戶接收機(SecondaryReceiver,SR)、一個竊聽者(Eavesdropper,Eve)和一個主用戶接收機(PrimaryReceive,PR)構成,其中每個節點均配備一個天線,所有配備一個天線的節點在半雙工模式下工作。假設UAV有一個較大的緩沖區,并作為一個移動中繼從ST接收數據,并利用解碼轉發中繼策略將其轉發到SR,Eve采用被動竊聽的方式對UAV進行竊聽。假設地面節點ST和SR、Eve、PR之間的通信鏈路被阻斷,本文通過UAV移動中繼建立良好的空對地信道,將機密信息發送給其它目的終端。假設UAV已知合法用戶位置并可通過其配備的光學相機或合成孔徑雷達來檢測和跟蹤潛在Eve的位置[17]。

      3仿真及數值結果分析

      本節將通過仿真驗證所提出的聯合優化移動中繼飛行軌跡和發射功率方案的安全性能?紤]在不同UAV飛行速度影響下的平均保密率,以及不同Eve位置影響下的UAV飛行軌跡與平均保密率。同時與傳統的靜態中繼和無優化方案進行比較。比較了當UAV飛行速度為25m/s時,傳統靜態中繼方案、無優化方案和本文所提聯合優化方案的平均保密率。聯合優化方案平均保密率收斂于3.3,無優化和靜態中繼分別收斂于0.85和1.6。顯然所提出的聯合優化方案在保密性能方面優于靜態中繼方案和無優化方案。這也證明了聯合優化UAV飛行軌跡和功率方案可以有效提高系統的平均保密率。

      通信論文范例:淺談網絡通信技術融合發展與改革創新研究

      4結論

      本文研究了一種UAV輔助的認知中繼網絡安全通信問題,提出了一種保密率最大化的聯合優化方案。由于在PR的干擾功率與ST和UAV的發射功率約束下所考慮的問題是非凸的,很難得到有效的解決。因此采用一種基于連續凸逼近的求解算法來優化問題,使得近似凸規劃的問題得到最優解。仿真結果證明了聯合優化方案在最大化CR-RC網絡的平均保密率問題的優越性。同時,這項工作可以擴展到認知用戶物理層安全性能等方面的研究。

      參考文獻

      [1]JIAXiangdong,ZHOUMing,DANGXiaochao,etal.Adaptivepowerallocationandoutageperformanceofcognitivebestrelaycooperationsystemswithmultipleprimarytransceiverpairsanddirectpathbetweencognitivesourceanddestination[J].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking,2014,2014(1):1-14.

      [2]JIAXiangdong,YANGLongxiang.Upperandlowerboundsoftwo-wayopportunisticamplify-and-forwardrelayingchannels[J].IEEECommunicationsLetters,2012,16(8):1180-1183.

      [3]JIAXiangdong,YANGLongxiang,ZHUHongbo.Cognitiveopportunisticrelayingsystemswithmobilenodes:Averageoutageratesandoutagedurations[J].IETCommunications,2014,8(6):789-799

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