1.一种UAV集群隐蔽接入协同优化方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)建立UAV集群多阶段隐蔽接入的数学模型,包括:隐蔽接入包括第一阶段低功率广播式接入模式和第二阶段大功率波束成形接入模式;其中,第一阶段低功率广播式接入模式具体如下:设隐蔽接入方Alice具有M个天线,计划对正在巡航状态的K个UAV组成的集群进行接入;其中, ;每个UAV仅有一个天线,隐蔽接入检测方Willie仅有一个天线;
Alice使用第k个正交频带与第k个UAV进行接入通信,其中, ;则对Alice接收到的信息进行建模,公式如下:(1);
其中, 是Alice在时间块i中接收的第k个对象,包括:K+1个UAV和1个检测者的信号;
是第k个对象的发送功率; 是第k个对象和Alice之间的基于距离的路径损耗; 是第k个对象到Alice的小尺度衰落信道; 是第k个对象发送的导频序列包括:控制指令信号和反馈信号;H是信道矩阵; 是添加白噪声的信号;其中,每个元素都服从复高斯分布; 表示方差为 的复高斯分布,其中,Tk表示第k个用户接收到的白噪声信号;M和 分别表示矩阵的维度,对应为 的信号矩阵;
第二阶段大功率波束成形接入模式具体如下:首先,设所有信道的信道相干时间相同的;在第i个时间块中,其中, ;将从第k个UAV到Alice和JUAV的小尺度衰落信道表示为和 ;其中, 表示信道系数, 表示协方差矩阵为m阶单位阵的复高斯分布; 表示对角线为1,其余为0的单位阵,M为矩阵维度;将从Alice和JUAV到Willie的小尺度衰落信道表示为 和 ;上述信道属于第k个频带,其中, ;基于无人机发送反馈信号,将信道系数 的最小均方误差估计,记为 以及估计误差记为 ;分别如下表示:(2);
(3);
上式中, 服从复高斯分布 , 服从复高斯分布,其中, ;在获得 后,Alice采用最大比传输波束成形方案将接入数据包传输给第k个UAV,波束成形向量为 ;则第k个UAV接收到的信号为:(4);
其中, 是分配给第k个UAV的发送功率; 是接入数据包序列; 是JUAV在第k个频带中发射的干扰功率; 第k个UAV和JUAV之间的路径损耗;
JUAV发送的干扰信号序列; 是加性高斯白噪声;其中,Nt为矩阵维度, 表示协方差矩阵为Nt阶对角线为 的斜对角阵的复高斯分布;
然后,Willie作为隐蔽接入的检测方,做出如下的检验:(5);
其中, 表示Alice的隐蔽接入事件发生, 表示隐蔽接入没有发生, ;
表示第k个频带中接收到的信号; 表示Alice到Willie的路径损失;
表示JUAV到Willie的路径损失;
是加性高斯白噪声;
(2)隐蔽接入方Alice采集无人机巡航状态下的发送信号,根据UAV集群的反馈构建对应数据包;
(3)估计目标通信场景的信道系数;
(4)进入第一阶段低功率广播式接入模式,向无人机集群发送连续重发包指令,直至其中至少一个UAV开始进行连续重发包操作;
(5)估计目标场景的信道系数,并根据非凸问题对应的算法查询最优解决策略;包括以下步骤:(51)对步骤(1)中第k个UAV接收到的信号进行重构,公式如下:(6);
其中, , ,共有L个时间窗口; 为求期望,无人机反馈信号的长度为Nt,Alice接入UAV集群的时间长度为N;第k个UAV可达到的遍历速率可以表示为:(7);
其中, 和 与时间块的索引i无关,在不同的时间块上,通过优化功率分配和导频长度来最大化遍历速率之和,即(8a);
(8b);
其中, 为基于纽曼皮尔森准则和平斯克不等式做出的KL散度隐蔽性数学约束; 表示 时刻概率分布函数, 表示 时刻概率分布函数;
(52)隐蔽性约束重构,具体如下:首先,对约束(8b)中的KL散度 使用极坐标表示复数信号 得到:(9);
;
上式中, 及 是 时刻和
时刻的信号功率;
并对其中的角频率 进行积分计算,同时定义新的积分项 ,可以得到:(10);
其次,基于链式法则,定义 和 ;经过数学变换,最终可以得到:(11);
最后,基于链式法则对1到 的KL散度数值进行叠加;经过数学变换,最终可以得到:(12);
上式中,
(13);
(14);
并且, , , ;
基于上述公式,对KL散度进行近似处理,具体如下所示:(15);
将式 定义为 ;则在K个频带内的KL散度的隐蔽性约束可以表示为:
(16);
(53) 隐蔽接入速率优化,具体如下:首先,根据步骤(1)中对信道系数进行的建模和UAV在K个子频带的信道服从同一种分布,得到信道增益系数的期望为:;
和方差为:
;
其中,M为Alice的天线数,Nt为导频信号时间长度, 为伽马函数,数学表达为;
其次,基于隐蔽约束公式(16)和优化函数公式(8a),对优化函数进行重构,新的优化函数如下:(17a);
(17b);
其中, 为对第k个UAV发出隐蔽接入信号的功率, 为等候UAV发出的反馈信号的时长占比; 是第k个UAV接收到的隐蔽接入信号的信噪比期望值, 为反馈信号占比集合, ;
, ,
,
,并且 ;
最后,通过优化固定的 解决优化函数后,通过对有限离散集合 进行穷举搜索计算最优的 ;具体如下:对于给定的 值,假设 (0,1)中的一个固定常数;对于第k个UAV,1≤k≤K,最优的隐蔽接入功率为 是下述方程的唯一解,即(18);
其中, , , ;
针对上述多项式方程进行求解,可以得到对第k个UAV的最优隐蔽接入功率记,并且满足隐蔽性约束(17b);
(6)进入第二阶段大功率波束成形接入模式,采用步骤(5)得到的最优解决策略进行隐蔽接入。
2.根据权利要求1所述的一种UAV集群隐蔽接入协同优化方法,其特征在于,所述步骤(3)具体如下:基于步骤(2)构建的数据包和K+1个UAV集群的反馈信息,估计目标通信场景的信道系数。
3.根据权利要求1所述的一种UAV集群隐蔽接入协同优化方法,其特征在于,所述步骤(4)具体如下:基于Alice到集群中K+1个UAV的信道统计信息,以及Alice到Willie的信道信息,采用GSVD技术进行信道分解,构建平行子信道;将发射机对应Willie的子信道功率增益进行置零;其余K+1个子信道中以无人机天线所能识别的最小功率功率进行广播接入,向无人机集群发送连续重发包指令,直至其中至少一个UAV开始进行连续重发包操作。
4.一种UAV集群隐蔽接入协同优化系统,其特征在于,包括:数学模型建立模块:用于建立UAV集群多阶段隐蔽接入的数学模型,包括:隐蔽接入包括第一阶段低功率广播式接入模式和第二阶段大功率波束成形接入模式;其中,第一阶段低功率广播式接入模式具体如下:设隐蔽接入方Alice具有M个天线,计划对正在巡航状态的K个UAV组成的集群进行接入;其中, ;每个UAV仅有一个天线,隐蔽接入检测方Willie仅有一个天线;Alice使用第k个正交频带与第k个UAV进行接入通信,其中, ;则对Alice接收到的信息进行建模,公式如下:(1);
其中, 是Alice在时间块i中接收的第k个对象,包括:K+1个UAV和1个检测者的信号;
是第k个对象的发送功率; 是第k个对象和Alice之间的基于距离的路径损耗; 是第k个对象到Alice的小尺度衰落信道; 是第k个对象发送的导频序列包括:控制指令信号和反馈信号;H是信道矩阵; 是添加白噪声的信号;其中,每个元素都服从复高斯分布; 表示方差为 的复高斯分布,其中,Tk表示第k个用户接收到的白噪声信号;M和 分别表示矩阵的维度,对应为 的信号矩阵;
第二阶段大功率波束成形接入模式具体如下:首先,设所有信道的信道相干时间相同的;在第i个时间块中,其中, ;将从第k个UAV到Alice和JUAV的小尺度衰落信道表示为和 ;其中, 表示信道系数, 表示协方差矩阵为m阶单位阵的复高斯分布; 表示对角线为1,其余为0的单位阵,M为矩阵维度;将从Alice和JUAV到Willie的小尺度衰落信道表示为 和 ;上述信道属于第k个频带,其中, ;基于无人机发送反馈信号,将信道系数 的最小均方误差估计,记为 以及估计误差记为 ;分别如下表示:(2);
(3);
上式中, 服从复高斯分布 , 服从复高斯分布,其中, ;在获得 后,Alice采用最大比传输波束成形方案将接入数据包传输给第k个UAV,波束成形向量为 ;则第k个UAV接收到的信号为:(4);
其中, 是分配给第k个UAV的发送功率; 是接入数据包序列; 是JUAV在第k个频带中发射的干扰功率; 第k个UAV和JUAV之间的路径损耗;
JUAV发送的干扰信号序列; 是加性高斯白噪声;其中,Nt为矩阵维度,表示协方差矩阵为Nt阶对角线为 的斜对角阵的复高斯分布;
然后,Willie作为隐蔽接入的检测方,做出如下的检验:(5);
其中, 表示Alice的隐蔽接入事件发生, 表示隐蔽接入没有发生, ;
表示第k个频带中接收到的信号; 表示Alice到Willie的路径损失;
表示JUAV到Willie的路径损失;
是加性高斯白噪声;
数据包构建模块:用于隐蔽接入方Alice采集无人机巡航状态下的发送信号,根据UAV集群的反馈构建对应数据包;
估计模块:用于估计目标通信场景的信道系数;
第一阶段低功率广播式接入模块:用于进入第一阶段低功率广播式接入模式,向无人机集群发送连续重发包指令,直至其中至少一个UAV开始进行连续重发包操作;
最优模块:用于估计目标场景的信道系数,并根据非凸问题对应的算法查询最优解决策略;包括以下步骤:(51)对步骤(1)中第k个UAV接收到的信号进行重构,公式如下:(6);
其中, , ,共有L个时间窗口; 为求期望,无人机反馈信号的长度为Nt,Alice接入UAV集群的时间长度为N;第k个UAV可达到的遍历速率可以表示为:(7);
其中, 和 与时间块的索引i无关,在不同的时间块上,通过优化功率分配和导频长度来最大化遍历速率之和,即(8a);
(8b);
其中, 为基于纽曼皮尔森准则和平斯克不等式做出的KL散度隐蔽性数学约束; 表示 时刻概率分布函数, 表示 时刻概率分布函数;
(52)隐蔽性约束重构,具体如下:首先,对约束(8b)中的KL散度 使用极坐标表示复数信号 得到:(9);
;
上式中, 及 是 时刻和
时刻的信号功率;
并对其中的角频率 进行积分计算,同时定义新的积分项 ,可以得到:(10);
其次,基于链式法则,定义 和 ;经过数学变换,最终可以得到:(11);
最后,基于链式法则对1到 的KL散度数值进行叠加;经过数学变换,最终可以得到:(12);
上式中,
(13);
(14);
并且, , , ;
基于上述公式,对KL散度进行近似处理,具体如下所示:(15);
将式 定义为 ;则在K个频带内的KL散度的隐蔽性约束可以表示为:
(16);
(53) 隐蔽接入速率优化,具体如下:首先,根据步骤(1)中对信道系数进行的建模和UAV在K个子频带的信道服从同一种分布,得到信道增益系数的期望为:;
和方差为:
;
其中,M为Alice的天线数,Nt为导频信号时间长度, 为伽马函数,数学表达为;
其次,基于隐蔽约束公式(16)和优化函数公式(8a),对优化函数进行重构,新的优化函数如下:(17a);
(17b);
其中, 为对第k个UAV发出隐蔽接入信号的功率, 为等候UAV发出的反馈信号的时长占比; 是第k个UAV接收到的隐蔽接入信号的信噪比期望值, 为反馈信号占比集合, ; ,, ,
,并且 ;
最后,通过优化固定的 解决优化函数后,通过对有限离散集合 进行穷举搜索计算最优的 ;具体如下:对于给定的 值,假设 (0,1)中的一个固定常数;对于第k个UAV,1≤k≤K,最优的隐蔽接入功率为 是下述方程的唯一解,即(18);
其中, , , ;
针对上述多项式方程进行求解,可以得到对第k个UAV的最优隐蔽接入功率记,并且满足隐蔽性约束(17b);
大功率波束成形接入模块:用于进入第二阶段大功率波束成形接入模式,根据得到的最优解决策略进行隐蔽接入。
5.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1‑3任一项所述的一种UAV集群隐蔽接入协同优化方法。
6.一种存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1‑3任一项所述的一种UAV集群隐蔽接入协同优化方法。