1.一种基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在t时刻,源节点(AP)利用无人机中继节点(UAV)将信号以功率P1传输至目的节点(BS),源节点(AP)向目的节点(BS)传输的信号分为第一时隙和第二时隙,在无人机中继节点(UAV)将信号传输至目的节点(BS)过程中,窃听节点(EVE)也接收来自无人机中继节点(UAV)发送的信号;
2)求t时刻无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路和无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道容量;
3)求t时刻无人机中继保密通信系统的保密容量,将无人机中继保密通信系统的保密容量定义为无人机中继节点(UAV)将信息安全传输至目的节点(BS),且窃听节点(EVE)无法获取任何有用信息时的最大信息传输速率;
4)基于保密容量最大化准则对无人机中继航迹进行优化。
2.根据权利要求1所述的基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,步骤1)中,在第一时隙,无人机中继节点(UAV)接收来自源节点(AP)的信号表示为:其中,P1表示源节点(AP)的发射功率;st表示源节点(AP)的发射信号,建模为均值为零,方差E[|st|2]=1;n1,t表示无人机中继节点(UAV)收到的复高斯白噪声,建模为均值为零、方差为 的随机变量;h1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路的信道衰落系数,建模为:式中,k1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;α表示路径损耗因子;d1,t表示源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)的距离。
3.根据权利要求1所述的基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,步骤1)中,在第二时隙无人机中继节点(UAV)将接收信号采用放大转发协议发送至目的节点(BS),窃听节点(EVE)同时接收来自无人机中继节点(UAV)发送的信号,目的节点(BS)和窃听节点(EVE)接收的信号分别表示为:其中, P1表示源节点(AP)的发射功率;h1,t表示t时刻源节点(AP)与无
人机中继节点(UAV)链路的信道衰落系数;P2表示无人机中继节点(UAV)的转发信号功率;
n1,t表示无人机中继节点(UAV)收到的复高斯白噪声;n2,t表示目的节点(BS)接收的复高斯白噪声信号,建模为零均值方差为 的随机变量;n3,t表示窃听节点(EVE)接收的复高斯白噪声信号,建模为零均值方差为 的随机变量;h2,t表示无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道衰落系数;h3,t表示无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道衰落系数,其中:其中,k2,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k3,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;α表示路径损耗因子;d2,t表示无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)的距离;d3,t表示无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)的距离。
4.根据权利要求1所述的基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,步骤2)包括:在t时刻,目的节点(BS)与窃听节点(EVE)的瞬时信噪比分别表示为:
其中, P1表示源节点(AP)的
发射功率;P2表示无人机中继节点(UAV)的转发信号功率;h1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路的信道衰落系数;h2,t表示无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道衰落系数;h3,t表示无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道衰落系数;
表示无人机中继节点(UAV)收到的复高斯白噪声的方差; 表示目的节点(BS)接收的复高斯白噪声信号的方差; 表示窃听节点(EVE)接收的复高斯白噪声信号的方差;k1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k2,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k3,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;α表示路径损耗因子;d1,t表示源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)的距离;d2,t表示无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)的距离;d3,t表示无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)的距离;
则无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道容量C2,t及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道容量C3,t分别表示为:
5.根据权利要求1所述的基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,步骤3)包括:将t时刻无人机中继保密通信系统的保密容量数值表达式定义成无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路信道容量之差,则保密容量CS表示为CS=[C2,t-C3,t]+ (11)
其中,C2,t表示无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道容量;C3,t表示无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道容量;
由上式得到:无人机中继保密通信系统的保密容量CS由无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)之间及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)之间的距离及相应信道的小尺度衰落系数联合确定;
假设t时刻,源节点(AP)、目的节点(BS)、窃听节点(EVE)与无人机中继节点(UAV)的三维位置坐标分别为(x1,t,y1,t,0),(x2,t,y2,t,0),(x3,t,y3,t,0),(xt,yt,h),则源节点(AP)与无人机中继节点(UAV),无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS),以及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)的距离为进一步假设无人机以恒定速度v飞行,则t时刻无人机中继节点(UAV)的位置根据无人机中继节点(UAV)在t-△t时刻的坐标、飞行速度与航向角利用以下方程获得:xt=xt-△t+v△tcosδt (13a)
yt=yt-△t+v△tsinδt (13b)
其中,δt表示t时刻无人机中继节点(UAV)的航向角,满足δt-Δt-δmax≤δt≤δt-Δt+δmax,其中δmax表示无人机中继节点(UAV)的最大航向角;δt-△t表示t-△t时刻无人机中继节点(UAV)的航向角;△t表示无人机中继节点(UAV)位置更新的时间间隔;进一步得到系统保密容量CS的表达式为其中
其中, P1表示源节点(AP)的发射功率;P2表示
无人机中继节点(UAV)的转发信号功率; 表示无人机中继节点(UAV)收到的复高斯白噪声的方差; 表示目的节点(BS)接收的复高斯白噪声信号的方差; 表示窃听节点(EVE)接收的复高斯白噪声信号的方差;k1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k2,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k3,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;
由系统保密容量表达式表明:系统保密容量CS是关于无人机中继节点(UAV)航向角δt的函数。
6.根据权利要求1所述的基于保密容量最大化准则的中继无人机航迹规划方法,其特征在于,步骤4)包括:为了实现源节点(AP)与目的节点(BS)间的保密通信,采用基于保密容量最大化准则来优化无人机中继节点(UAV)的航向角,数学描述为:maxCS (16a)
s.t.|δt-δt-△t|≤δmax (16b)
其中,CS表示无人机中继保密通信系统的保密容量;δt表示t时刻无人机中继节点(UAV)的航向角;δt-△t表示t-△t时刻无人机中继节点(UAV)的航向角;△t表示无人机中继节点(UAV)位置更新的时间间隔;δmax表示无人机中继节点(UAV)的最大航向角;
考虑到优化问题为非线性规划问题,因此采用一阶泰勒级数展开的方法化简无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道容量C2,t及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道容量C3,t的表达式,进而将优化问题转化为线性规划问题;将无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路的信道容量C2,t及无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的信道容量C3,t在区间[δt-△t-δmax,δt-△t+δmax]内近似表示为:其中
无人机中继节点(UAV)航向角优化问题转换为
s.t.|δt-δt-△t|≤δmax (20b)
最后,根据上式计算得到无人机中继节点(UAV)最佳航向角δt的表达式为:
其中,
其中, P1表示源节点(AP)的发射功率;P2表示
无人机中继节点(UAV)的转发信号功率; 表示无人机中继节点(UAV)收到的复高斯白噪声的方差; 表示目的节点(BS)接收的复高斯白噪声信号的方差; 表示窃听节点(EVE)接收的复高斯白噪声信号的方差;k1,t表示t时刻源节点(AP)与无人机中继节点(UAV)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k2,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与目的节点(BS)链路信道的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;k3,t表示t时刻无人机中继节点(UAV)与窃听节点(EVE)链路的小尺度衰落系数,建模为均值为零、方差为1的复高斯随机变量;v表示无人机中继节点(UAV)的速度;
(xt,yt,h)表示无人机中继节点(UAV)在t时刻的三维位置坐标;(xt-△t,yt-△t,h)表示无人机中继节点(UAV)在t-△t时刻的三维位置坐标。