基于认知无人机移动中继网络的物理层安全通信研究

　　摘要：针对无线频谱资源稀缺和空对地视距(LineofSight,LoS)链路的安全隐患问题，提出了一种无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)中继辅助的认知无线电网络(CognitiveRadioNetwork,CRN)安全传输方案，研究了在主用户和窃听者存在的情况下，次用户发射机向次用户接收机发送机密信息，UAV充当解码转发移动中继协助从源节点到合法目的节点的机密传输。目的是在源节点和中继节点的功率约束下，通过优化UAV中继的飞行轨迹、发射功率来实现保密率最大化。由于设计问题是非凸的，采用构造非凸约束代理函数的方法，将原问题近似为凸约束，并利用一种基于连续凸逼近的迭代算法来求解。仿真结果表明，相较于静态中继和无优化方案，本文所提的联合优化方案不仅获得UAV飞行的最佳路径，同时系统的平均保密率分别是传统方案的1.06倍和2.88倍。

　　关键词：无人机;视距链路;移动中继;认知无线电网络;平均保密率

　　引言第五代移动通信和下一代网络技术的快速发展，使频谱需求急剧增长，无线频谱资源愈加稀缺，认知无线电(CognitiveRadio,CR)已被广泛认为是一种提升无线频谱利用率的有效方法[1]。除CR技术外，中继协同(RelayCooperation,RC)传输是另一种提升无线通信系统性能的方法[2]。中继协同的无线通信可以改善链路质量和可靠性以及增加网络覆盖范围等[3]。

　　因此，将CR和RC技术结合起来，构成的认知-中继协同(CR-RC)通信系统可以提升无线电频谱资源的利用率[4]。此外，由于无线信道的开放性，无线网络的安全通信是当下研究热点。近年来，无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)凭借其高机动性、按需部署和视距链路(LineofSight,LoS)等特性给无线通信带来了广阔的发展前景，但UAV涉及的物理层安全通信系统面临着挑战[5]。文献[6]研究了UAV作为协同干扰机，通过发送干扰信号来提高系统的安全性能。

　　文献[7]考虑当地面存在潜在窃听者时，UAV向合法接收者发送机密信息，通过优化UAV的轨迹来提高系统的保密率。文献[8]研究了UAV充当基站时的系统保密率，但并未考虑UAV通信系统的频谱资源紧缺问题。文献[9]研究了UAV作为次用户发射机来辅助认知无线电网络(CognitiveRadioNetwork,CRN)的物理层安全问题。由于建筑物和其它障碍物的阻塞，无线通信面临着困难，因此，文献[10]研究了一个两跳无线中继网络的安全通信问题。提出了一种中继辅助的通信方案来提高无线通信的质量。文献[11]研究了多中继网络协同干扰技术，提出了一种联合功率分配和中继选择方案。

　　但传统的静态中继缺乏灵活性和扩展性，而UAV中继可以方便部署和灵活应用，调整其位置以适应环境的变化，从而显著提高系统性能[12]。文献[13]研究了UAV移动中继系统通过优化轨迹来提高系统的安全性能，但UAV的发射功率是固定的。文献[14]研究了UAV的轨迹设计和功率分配问题，以最大限度地提高中继网络的保密率。但采用块坐标下降法解决问题，可能导致较高的迭代复杂度。

　　文献[15]提出了UAV中继网络下的联合优化方案，但并没有考虑到有潜在窃听者威胁下的安全问题，并且采用的放大转发中继策略，在进行信息传输时噪声也会被扩大。综上，结合UAV中继和CRN的相关研究文献较少，因此本文提出了一种UAV辅助中继网络的方案，该方案中部署UAV作为认知中继，以辅助次用户发射机和次用户接收机之间的信号传输。

　　在源节点、UAV中继节点发射功率和UAV飞行轨迹约束条件下，设计了一个联合优化UAV飞行轨迹和发射功率方案，同时在满足主接收机处给定的干扰阈值下使保密率最大化。由于目标函数是非凸函数，一般难以求解。本文提出了一种基于逐次优化方法的高效迭代凸逼近算法来解决所提出的非凸优化问题，即一个较低计算复杂度的内近似(InnerApproximation,IA)算法[16]。该算法可优化一系列的凸逼近程序，也可优化非线性程序。仿真结果表明，该方法在UAV不同飞行速度和窃听者不同位置情况下均可行，同时较传统的直线轨迹和静态中继策略，可以有效地提高UAV通信系统的保密率。

　　2系统模型

　　本文研究了一种认知UAV辅助的解码转发中继窃听信道模型。该网络由一个认知UAV中继(CognitiveRelay,CR)、一个次用户发射机(SecondaryTransmitter,ST)、一个次用户接收机(SecondaryReceiver,SR)、一个窃听者(Eavesdropper,Eve)和一个主用户接收机(PrimaryReceive,PR)构成，其中每个节点均配备一个天线，所有配备一个天线的节点在半双工模式下工作。假设UAV有一个较大的缓冲区，并作为一个移动中继从ST接收数据，并利用解码转发中继策略将其转发到SR，Eve采用被动窃听的方式对UAV进行窃听。假设地面节点ST和SR、Eve、PR之间的通信链路被阻断，本文通过UAV移动中继建立良好的空对地信道，将机密信息发送给其它目的终端。假设UAV已知合法用户位置并可通过其配备的光学相机或合成孔径雷达来检测和跟踪潜在Eve的位置[17]。

　　3仿真及数值结果分析

　　本节将通过仿真验证所提出的联合优化移动中继飞行轨迹和发射功率方案的安全性能。考虑在不同UAV飞行速度影响下的平均保密率，以及不同Eve位置影响下的UAV飞行轨迹与平均保密率。同时与传统的静态中继和无优化方案进行比较。比较了当UAV飞行速度为25m/s时，传统静态中继方案、无优化方案和本文所提联合优化方案的平均保密率。联合优化方案平均保密率收敛于3.3，无优化和静态中继分别收敛于0.85和1.6。显然所提出的联合优化方案在保密性能方面优于静态中继方案和无优化方案。这也证明了联合优化UAV飞行轨迹和功率方案可以有效提高系统的平均保密率。

　　通信论文范例：浅谈网络通信技术融合发展与改革创新研究

　　4结论

　　本文研究了一种UAV辅助的认知中继网络安全通信问题，提出了一种保密率最大化的联合优化方案。由于在PR的干扰功率与ST和UAV的发射功率约束下所考虑的问题是非凸的，很难得到有效的解决。因此采用一种基于连续凸逼近的求解算法来优化问题，使得近似凸规划的问题得到最优解。仿真结果证明了联合优化方案在最大化CR-RC网络的平均保密率问题的优越性。同时，这项工作可以扩展到认知用户物理层安全性能等方面的研究。

　　参考文献

　　[1]JIAXiangdong,ZHOUMing,DANGXiaochao,etal.Adaptivepowerallocationandoutageperformanceofcognitivebestrelaycooperationsystemswithmultipleprimarytransceiverpairsanddirectpathbetweencognitivesourceanddestination[J].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking,2014,2014(1):1-14.

　　[2]JIAXiangdong,YANGLongxiang.Upperandlowerboundsoftwo-wayopportunisticamplify-and-forwardrelayingchannels[J].IEEECommunicationsLetters,2012,16(8):1180-1183.

　　[3]JIAXiangdong,YANGLongxiang,ZHUHongbo.Cognitiveopportunisticrelayingsystemswithmobilenodes:Averageoutageratesandoutagedurations[J].IETCommunications,2014,8(6):789-799

　　曹胜男1贾向东1,2郭艺轩1牛春雨1万妮妮1