无人机辅助下的移动中继网络物理层安全研究

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近年来,无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)以其快速部署和灵活配置的特性,越来越受到人们的关注。无人机的一个特别有前景的应用是无人机移动中继。它可以为两个或者更多的用户提供可靠的通信链路,实现多用户之间的信息交换,增加了无线通信的覆盖范围。无人机与地面节点建立通信链路以视距链路(line-of-sight,LOS)为主,但这一特点也意味着潜在的窃听者更容易窃听。因此,确保无线通信的安全成为了一个重要的问题。传统的基于密码的安全方案并不能保证绝对的安全,而物理层安全技术主要是利用无线信道的随机性。物理层安全的性能取决于合法信道是否比窃听信道质量更好,基本不存在被暴力破解的可能。本文针对无人机辅助下的移动中继中存在的安全问题,研究了一种基于物理层安全的安全通信策略。本文主要考虑了两种典型的无人机辅助下的移动中继安全模型,利用物理层安全技术,对资源进行合理分配,并对无人机的轨迹进行优化,提出了不同中继模型下的安全传输策略。主要的研究内容如下:1.无人机辅助下的移动中继安全策略研究。基于潜在窃听者带来的信息泄露的问题,研究了一种移动干扰机辅助下的无人机安全系统,为了进一步提高系统的安全性能,本设计考虑了一种附加的友好干扰无人机来传输干扰信号。一个无人机作为移动中继,以支持源节点和目标节点之间的通信,另一个无人机作为移动友好干扰,传输干扰信号来降低窃听者的信道质量。基于实际情况,本设计又研究了窃听者的位置不确定的情况下的系统保密率。通过对潜在的窃听者建立主动干扰模型,利用块坐标下降理论和连续凸近似方法,综合优化任务调度,传输功率,和飞行轨迹,设计出一种合理有效的迭代算法,使得平均安全速率最大化。仿真结果表明该算法的安全性能明显要优于其他的基准方案。2.无人机辅助下的双向移动中继安全策略研究。在该设计中研究了基于物理层网络编码(physical layer network coding,PNC)的无人机辅助下的双向中继网络中安全问题。无人机作为空中移动中继与地面用户进行通信,由于存在窃听的风险,无人机中继需要利用其高移动性,以提升系统的保密性能。本设计中也引入友好干扰无人机进一步提升系统的保密率。在这种情况下综合考虑不同用户与无人机的发射功率的优化,结合无人机轨迹的设计,研究系统的平均安全速率能最大化的问题。基于凸优化理论设计出一种有效的算法,将非凸的问题转换为凸问题,利用CVX工具得到系统的平均安全速率最大的一般解。数值仿真结果验证了该算法的有效性。
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