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基于联合轨迹优化和功率控制的UAV中继系统的安全传输策略

张军泉  
【摘要】:近年来,无人机因其成本低、尺寸小、灵活部署以及移动可控性而在无线通信领域内得到广泛的应用。特别地,具有高移动性的无人机作为移动中继在远距离通信和复杂通信场景中起到了至关重要的辅助作用。与传统地面基础中继相比,无人机作为中继带来了明显的优势:(1)无人机可以充分利用其移动性特征动态调整位置来最佳适应通信环境,同时可服务多个地面节点。(2)小型化的无人机在通信环境恶劣或者地形复杂的通信环境中具有地面固定中继不可比拟的优势。然而,无人机在提供较大便利的同时也带来了一些不可忽视的弊端,其移动性所导致的中继系统通信网络结构的不确定性以及无线信道本身的广播特性,尤其是无人机与地面用户之间的LoS链路,使得无人机传输的信息更容易被窃听,安全通信也面临更大的挑战。基于现有技术和未来发展趋势,要保证无人机中继通信系统的安全,可以通过物理层安全技术利用无线信道固有的随机性和互易性为信息加密来实现安全可靠的通信。基于以上背景,面向无人机辅助的移动中继系统,本文主要研究了在完全已知多窃听者精确位置和不完全已知多窃听者精确位置两种场景下的无人机安全传输策略,充分利用无人机的移动性,通过在不同通信场景下联合优化无人机轨迹和功率控制来实现信息的安全传输,主要研究工作如下:1.完全已知多窃听者精确位置的无人机中继系统。本部分在完全已知多窃听者位置信息的前提下研究无人机辅助的双跳中继系统,首先,我们建立了基于解码转发(DF)协议的无人机中继系统的数学模型,通过联合优化无人机的轨迹和传输功率,分析推导了该系统所取得的最差平均保密速率最大化问题。其次,针对优化目标,我们提出了一种交替优化(AO)算法,将保密速率最大化问题分解为两个子问题,交替求解了无人机的轨迹和传输功率。数值结果表明,与其他的基准方案相比,我们提出的联合优化算法可以显著地提高系统的安全性能。2.不完全已知多窃听者精确位置的无人机中继系统。本部分的研究进一步考虑了地面窃听者精确位置未知,但已知其分布大致区域的场景,建立了窃听节点精确位置不完全已知的无人机通信系统数学模型,在满足无人机移动性以及峰值功率约束的条件下,提出了联合优化无人机轨迹和功率控制的鲁棒算法以最大化系统可取得的最差平均保密速率。由于保密速率最大化问题是连续且非凸的,难以最佳求解,基于块坐标下降法,将保密速率最大化问题分成两个子问题,以交替的方式联合S-Procedure和SCA算法迭代求解。数值仿真结果表明,与非鲁棒算法相比,该算法可以显著提高系统的最差平均安全速率。


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