无人机协作安全通信系统的轨迹设计和资源分配研究

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近年来,随着无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)的发展和无线通信技术的进步,无人机被广泛的应用到了现在以及未来的无线通信系统中。无人机作为一种灵活的可移动设备,具有按需部署、视距传输(Line of Sight,LoS)等优势,可以挖掘出无线通信系统更大的潜力。另一方面,无线通信的传输媒介电磁波具有广播传播的特性,容易遭到非法用户的窃听,如何保证信息的安全传输是无线通信系统中的一个关键问题。作为传统通信网络上层加密算法的补充,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术利用无线信道的自身的特性来安全地传输保密信息,近年来获得了工业界和学术界更多的关注和研究。针对无线通信系统中的安全传输问题,结合无人机及物理层安全技术,论文主要研究无人机协作的安全通信系统中的无人机轨迹设计和资源分配问题。论文主要工作包括:(1)构建了基于协作干扰无人机的地面无线安全通信系统,系统模型中存在一个信道状态信息(Channel State Information,CSI)不完全的被动窃听节点,无人机作为一个可移动的协作干扰机向窃听者发射干扰信号以恶化其信干燥比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)。协作干扰无人机利用其移动性优势来接近窃听节点并远离合法节点以提高地面无线安全通信系统的安全传输速率,此外还考虑了禁飞区(No-Fly Zones,NFZs)的存在对无人机轨迹设计造成的影响。(2)构建无人机使能的认知无线安全通信系统,系统模型中包含一个主网络(Primary Network,PN)和一个认知网络(Cognitive Radio Network,CRN),认知网络采取机会主义的方式占据主网络的授权频带进行通信,通信系统中存在一个窃听用户企图窃听认知网络传输的保密信息。无人机作为认知网络的发射机向地面的多个认知用户发射保密信息,无人机需要控制其飞行轨迹并优化其发射功率和子载波分配策略,在保证对主网络干扰小于一定阈值的情况下,最大化认知网络的安全传输速率。(3)针对以上构建的两个无线安全通信场景,论文分别规划了两个非凸优化问题来最大化通信系统的安全传输速率,研究无人机轨迹设计和资源分配策略。为了解决所提出的优化问题,应用块坐标下降(Block Coordinate Descent method,BCD)和连续凸近似(Successive Convex Approximation,SCA)等方法,将原问题进行分解和简化,提出了采用交替优化(Alternative Optimization,AO)思想的迭代求解算法,基于凸优化理论分别求解得到了原优化问题的近似解。在此基础上,使用Matlab进行了数值仿真,对轨迹设计及资源分配策略进行了对比分析和讨论。仿真结果表明,论文提出的优化策略能够显著提高无线通信系统的安全传输性能。
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