多跳中继无人机通信的物理层安全技术研究

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由于无人机具有快速部署、灵活移动和空地通信方便等特点,因此无人机被广泛应用于无线通信场景当中。同时无线信道具有广播性和叠加性的特点,在实际通信场景中容易受到恶意干扰和窃听。在使用无人机中继进行信息传输的通信场景中,为了提高无线通信的安全性,目前人们越来越多地应用基于物理层的设计方案来调整无人机的部署。在本文中,分别考虑了在多跳中继无人机通信场景中存在恶意干扰和窃听的情况,提出了基于物理层安全技术的设计方案。本文的主要工作有:(1)建立了存在恶意干扰和窃听的多跳中继无人机通信模型,并构造了关于目标点的安全接收速率的最优化问题。在无线通信过程中,恶意干扰会发送干扰信号降低目标点的安全接收速率,而恶意窃听会截获合法信号,导致目标点能够安全接收的信息减少。由于干扰和窃听对无线安全通信的影响方式不同,本文分别建立了相应的物理模型。为了在存在恶意干扰和窃听的情况下最大化目标点的安全接收速率,本文提出了基于物理层安全技术的联合优化方案,并以此方案构造了相应的最优化问题。(2)分别求解了相关的最优化问题并且得到了干扰和窃听模型的最优解。在构造出相关的最优化问题后,首先分析了目标问题和约束条件的凸性,发现优化问题中存在非凸的问题和约束条件,接着通过引入松弛变量和近似替代的方法将这些问题转换为凸问题。由于优化问题中包含多个优化变量,所以将其分解为多个子优化问题,然后使用CVX凸优化工具分别得到子优化问题的最优解,最后通过交替迭代优化的方法得到满足约束条件的联合最优解。(3)对得到的最优联合优化方案进行仿真验证,同时设计了不同优化变量的对比部署方案做进一步的分析比较。首先利用Matlab建立上述优化问题的数学模型,将目标点的安全接收速率作为评价系统安全性能的指标,接着通过仿真验证了联合优化方案的有效性,并且还分析了干扰源和窃听者在不同位置时对安全通信的影响。结果表明在存在干扰的情况下,联合优化方案的平均安全接收速率相比于其他方案提升了8%~16%;在存在窃听的情况下,联合优化方案的性能相比于其他方案提升了20%~36%。
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