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专利号: 2024113785507
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)设计有障碍物的城市通信环境;

(2)设定无人机和环境参数及其范围;信道建模;

(3)根据信道建模,利用联合优化方法计算无人机最优的飞行位置和发射功率;包括:对窃听者Willie的二元假设检验;通过求解接收者Bob的SNR函数得到目标函数对空间位置变量的单调性关系;将单调性关系转化为数学问题并进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,步骤(2)具体如下:设合法接收者Bob与窃听者Willie间距离为 ,无人机Alice与合法接收者Bob、窃听者Willie间距离分别为 、 ;无人机Alice对合法接收者Bob 和窃听者Willie的方位角分别为 和 ;无人机Alice和窃听者Willie所在的铅垂面与合法接收者Bob和窃听者Willie所在的铅垂面间夹角为 ;合法接收者Bob和窃听者Willie处的加性高斯白噪声信号AWGN的方差分别为 、 ;无人机的信号发射功率为 ,LoS信道的路径损耗为 ;

设三维极坐标系空间中将窃听者Willie附近的障碍物 在空间中抽象成一个没有厚度和宽度、仅有高度的线状体,并与水平面垂直;设其高度为 ,最高点与窃听者Willie的连线同水平面的夹角为 ,其水平投影与窃听者Willie的连线、与合法接收者Bob和窃听者Willie所在的铅垂面的夹角为 ;

Alice在三维空间中的位置通过 被唯一确定; 、 、 对Alice的最优位置的可能存在区域作出限制具体如下:

(S1) :无人机Alice不能飞至距离窃听者Willie太近处,以防止被窃听者Willie处的雷达检测或人眼观察到,有最小距离限制 ;由于无人机分辨率有限,为了能够对窃听者Willie处所在区域有较好的监测效果,有最大距离限制 ;

(S2) :无人机Alice需要对监测区域有一个可接受的视角,从而要求 不能过小,有最小角度限制 ;

(S3) :无人机Alice飞离合法接收者Bob和窃听者Willie所在的铅直面,通过 唯一确定无人机Alice在三维空间中的位置;由对称性在分析无人机的位置时仅考虑 的半个三维空间;

(S4) :无人机可调整信号发射功率,其最大发射功率为 ;

(S5) :无人机与接受者间距离大于无人机与窃听者间距离;其中, 是个很小的角,考虑上式总是成立。

3.根据权利要求1所述的一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,步骤(2)中,信道建模公式如下:设 是NLoS信道的额外路径损耗系数;

小于1;是服从瑞利分布的随机变量, 小于1;由于Willie周围较近处的环境不随时间变化,将 看作Willie周围较近处的一个环境参量 ,为常量;则平均强度为 的信号经Willie周围的散射体散射后,最终到达Willie处的平均强度为: ;

其中, 为当障碍物阻挡空地视距通信链路时,无人机所发射的无线信号传输至监测者处的平均强度; 为无人机所发射的无线信号传输至监测者周围的散射体处的平均强度; 为无人机与监测者间的视距信道概率,由视距信道概率公式给出, 为视距信道的路径损耗指数;

满足: ;若Alice在 内,则 ;其中, 是由障碍物M和监测者Willie所确定的二维平面;若Alice不在 内,则 ,认为M对Alice与Willie间概率LoS信道无显著影响。

4.根据权利要求1所述的一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,步骤(3)中,对窃听者Willie的二元假设检验具体如下:设 不存在无人机发射信号的行为; 存在无人机发射信号的行为;其中,事件 对应Willie认为接收到的信号强度为  ,事件 对应Willie认为接受到的信号强度为  ,在Willie每次进行判断时都在事件 与 间进行选择,其中,两个时间的先验概率相同;设Willie错检的概率为 ,错检行为包括Alice未发射信号而Willie选择接受假设 、Alice正发射信号而Willie选择接受假设 ;

设Alice的隐蔽通信要求的隐蔽性为 ,其中,是一个 范围内小正数;任何情况下都有不小于 ;设 的最小值为 ,则有下式成立: ;

其中,二元假设检验中,Willie错检的概率, 二元假设检验中,Willie错检的最小概率;值由似然函数给出,由KL散度将转化为更严格的约束,公式如下: ;

即 ;

其中, 为二元假设检验中, 对 的信息熵,用于量化隐蔽性;

其中,  ;

其中,n为最大块长度。

5.根据权利要求1所述的一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,步骤(3)中,通过求解接收者Bob的SNR函数得到目标函数对空间位置变量的单调性关系,具体如下:合法接收者Bob处的信噪比函数为:;

其中, 无人机Alice与窃听者Willie间距离, 无人机Alice与窃听者Willie间仰角,无人机Alice与窃听者Willie间方位角,合法接收者Bob与窃听者Willie间距离;

由几何关系和公式:  其中,a和b是依赖于通信环境的s曲线参数,由城市环境中的建筑物密度和平均高度决定,式中 以角度值计入;得到:;

其中, 无人机Alice与窃听者Willie间距离, 无人机Alice与窃听者Willie间仰角,无人机Alice与窃听者Willie间方位角,合法接收者Bob与窃听者Willie间距离;对求偏导,得到 对 先增后减,且有唯一极大值点;记为 ,满足如下条件:

其确值由下式确定:

 ;

对 求偏导,得到 时  对 先增后减,且有唯一极大值点,记这个点为 ,满足如下条件:

其中:

的确值由下式确定:

当 时,  对 单调递增。

6.根据权利要求1所述的一种面向三维城市环境的障碍物辅助无人机隐蔽通信联合优化方法,其特征在于,步骤(3)中,将单调性关系转化为数学问题并进行求解具体如下:首先将无人机进行无人机可行域降维,然后将可行域降维后,将优化问题可转换为数学描述,对数学描述进行求解,其中,数学描述公式如下:。