无人机中继保密通信系统航迹规划方法研究

发布时间：2020-03-25 01:14

【摘要】：无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)中继保密通信系统是一种基于物理层安全传输技术并搭载中继UAV的通信系统。与传统UAV辅助中继通信系统相比,UAV中继保密通信系统具有信息传输可靠性强、窃听成功概率低等优点。然而,UAV的快速移动性和续航有限性,使UAV中继保密通信系统安全性能明显降低。因此,为提高UAV中继保密通信系统安全性,论文对UAV节点航迹规划方法和系统安全性能展开相关研究。论文主要工作内容如下:(1)针对单跳UAV通信系统传输安全性及能量效率提高问题,论文提出基于保密能量效率最大化准则的UAV航迹规划方法。首先根据遍历保密容量和系统总能耗推导出保密能量效率的近似表达式,然后,基于保密能量效率最大化准则结合分式规划算法给出中继UAV飞行轨迹优化方法,最后,利用仿真模拟软件验证所提优化方案的合理正确性。(2)针对单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)的UAV中继通信系统物理安全性改善问题,论文提出基于凸优化理论的UAV中继节点发射功率与飞行轨迹联合优化方案。首先,建立SISO-UAV中继网络存在窃听节点(Eavesdropper,EVE)的系统模型,根据模型确定各个节点信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)的表达式及统计特性,给出系统保密容量的闭合解析式,并基于保密容量最大化准则对UAV中继节点发射功率与运行轨迹进行联合优化,然后结合泰勒级数推导出保密中断概率表达式,最后,基于计算机仿真分析所提优化方案的系统安全性能。(3)为提高多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)的UAV中继通信系统物理层安全性,论文提出基于保密容量最大化准则的接收波束成形和UAV航迹优化方法。首先,建立MIMO-UAV中继保密通信系统模型,给出由波束成形矢量及飞行航向角联合确定的保密容量表达式,并基于系统保密容量最大化准则采用凸优化算法来优化目的节点波束成形权值和UAV中继节点飞行轨迹,然后利用各个节点SNR的统计特性计算出保密中断概率的具体表达式,最后,基于仿真模拟软件验证所提方案的准确有效性。
【图文】：

模型图,保密通信系统,模型,链路

2-1保密通信系统模型图2-1是保密通信系统模型。系统由发送节点(Alice)、接收节点(Bob)和窃听节点(EVE)组成。其中，Alice作为通信基站，向地面用户节点Bob传输有用信号，与此同时EVE可以非法接收Alice发送的信息。假设Alice-Bob链路为主信道，，Alice-EVE链路为窃听信道，此时Bob与EVE节点的接收信号分别为B A AB By P h x n(2.1)E A AE Ey P h x n(2.2)式中， AP是Alice节点配置天线的发射功率；x是Bob与EVE处的接收信号； ABh和 AEh分别是Alice-Bob与Alice-EVE链路的信道衰落系数； Bn和 En是Bob与EVE处接收的复高斯白噪声，分别服从 20,B 和 20,E 。根据式(2.1)和(2.2)

遍历,平均功率,主信道,可变速率

0.1b it /s。图2-2是以平均功率为变量的遍历保密容量图，其中，“×”型曲线表示主信道与窃听信道CSI皆已知的遍历保密容量，“○”型曲线表示主信道CSI已知而窃听信道CSI未知，EVE节点采用可变速率方案，系统基于固定发射功率的遍历保密容量，“□”型曲线表示主信道CSI已知而窃听信道CSI未知，EVE节点采用可变速率方案，系统基于最优发射功率的遍历保密容量，“☆”型曲线表示EVE节点采用固定速率方案
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918;V279

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