摘要：針對(duì)無(wú)線頻譜資源稀缺和空對(duì)地視距(LineofSight,LoS)鏈路的安全隱患問(wèn)題，提出了一種無(wú)人機(jī)(UnmannedAerialVehicle,UAV)中繼輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(CognitiveRadioNetwork,CRN)安全傳輸方案，研究了在主用戶(hù)和竊聽(tīng)者存在的情況下，次用戶(hù)發(fā)射機(jī)向次用戶(hù)接收機(jī)發(fā)送機(jī)密信息，UAV充當(dāng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)中繼協(xié)助從源節(jié)點(diǎn)到合法目的節(jié)點(diǎn)的機(jī)密傳輸。目的是在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的功率約束下，通過(guò)優(yōu)化UAV中繼的飛行軌跡、發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)保密率最大化。由于設(shè)計(jì)問(wèn)題是非凸的，采用構(gòu)造非凸約束代理函數(shù)的方法，將原問(wèn)題近似為凸約束，并利用一種基于連續(xù)凸逼近的迭代算法來(lái)求解。仿真結(jié)果表明，相較于靜態(tài)中繼和無(wú)優(yōu)化方案，本文所提的聯(lián)合優(yōu)化方案不僅獲得UAV飛行的最佳路徑，同時(shí)系統(tǒng)的平均保密率分別是傳統(tǒng)方案的1.06倍和2.88倍。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);視距鏈路;移動(dòng)中繼;認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò);平均保密率

　　引言第五代移動(dòng)通信和下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，使頻譜需求急劇增長(zhǎng)，無(wú)線頻譜資源愈加稀缺，認(rèn)知無(wú)線電(CognitiveRadio,CR)已被廣泛認(rèn)為是一種提升無(wú)線頻譜利用率的有效方法[1]。除CR技術(shù)外，中繼協(xié)同(RelayCooperation,RC)傳輸是另一種提升無(wú)線通信系統(tǒng)性能的方法[2]。中繼協(xié)同的無(wú)線通信可以改善鏈路質(zhì)量和可靠性以及增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等[3]。

　　因此，將CR和RC技術(shù)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成的認(rèn)知-中繼協(xié)同(CR-RC)通信系統(tǒng)可以提升無(wú)線電頻譜資源的利用率[4]。此外，由于無(wú)線信道的開(kāi)放性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全通信是當(dāng)下研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)(UnmannedAerialVehicle,UAV)憑借其高機(jī)動(dòng)性、按需部署和視距鏈路(LineofSight,LoS)等特性給無(wú)線通信帶來(lái)了廣闊的發(fā)展前景，但UAV涉及的物理層安全通信系統(tǒng)面臨著挑戰(zhàn)[5]。文獻(xiàn)[6]研究了UAV作為協(xié)同干擾機(jī)，通過(guò)發(fā)送干擾信號(hào)來(lái)提高系統(tǒng)的安全性能。

　　文獻(xiàn)[7]考慮當(dāng)?shù)孛娲嬖跐撛诟`聽(tīng)者時(shí)，UAV向合法接收者發(fā)送機(jī)密信息，通過(guò)優(yōu)化UAV的軌跡來(lái)提高系統(tǒng)的保密率。文獻(xiàn)[8]研究了UAV充當(dāng)基站時(shí)的系統(tǒng)保密率，但并未考慮UAV通信系統(tǒng)的頻譜資源緊缺問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]研究了UAV作為次用戶(hù)發(fā)射機(jī)來(lái)輔助認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(CognitiveRadioNetwork,CRN)的物理層安全問(wèn)題。由于建筑物和其它障礙物的阻塞，無(wú)線通信面臨著困難，因此，文獻(xiàn)[10]研究了一個(gè)兩跳無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的安全通信問(wèn)題。提出了一種中繼輔助的通信方案來(lái)提高無(wú)線通信的質(zhì)量。文獻(xiàn)[11]研究了多中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)同干擾技術(shù)，提出了一種聯(lián)合功率分配和中繼選擇方案。

　　但傳統(tǒng)的靜態(tài)中繼缺乏靈活性和擴(kuò)展性，而UAV中繼可以方便部署和靈活應(yīng)用，調(diào)整其位置以適應(yīng)環(huán)境的變化，從而顯著提高系統(tǒng)性能[12]。文獻(xiàn)[13]研究了UAV移動(dòng)中繼系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化軌跡來(lái)提高系統(tǒng)的安全性能，但UAV的發(fā)射功率是固定的。文獻(xiàn)[14]研究了UAV的軌跡設(shè)計(jì)和功率分配問(wèn)題，以最大限度地提高中繼網(wǎng)絡(luò)的保密率。但采用塊坐標(biāo)下降法解決問(wèn)題，可能導(dǎo)致較高的迭代復(fù)雜度。

　　文獻(xiàn)[15]提出了UAV中繼網(wǎng)絡(luò)下的聯(lián)合優(yōu)化方案，但并沒(méi)有考慮到有潛在竊聽(tīng)者威脅下的安全問(wèn)題，并且采用的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略，在進(jìn)行信息傳輸時(shí)噪聲也會(huì)被擴(kuò)大。綜上，結(jié)合UAV中繼和CRN的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，因此本文提出了一種UAV輔助中繼網(wǎng)絡(luò)的方案，該方案中部署UAV作為認(rèn)知中繼，以輔助次用戶(hù)發(fā)射機(jī)和次用戶(hù)接收機(jī)之間的信號(hào)傳輸。

　　在源節(jié)點(diǎn)、UAV中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和UAV飛行軌跡約束條件下，設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化UAV飛行軌跡和發(fā)射功率方案，同時(shí)在滿足主接收機(jī)處給定的干擾閾值下使保密率最大化。由于目標(biāo)函數(shù)是非凸函數(shù)，一般難以求解。本文提出了一種基于逐次優(yōu)化方法的高效迭代凸逼近算法來(lái)解決所提出的非凸優(yōu)化問(wèn)題，即一個(gè)較低計(jì)算復(fù)雜度的內(nèi)近似(InnerApproximation,IA)算法[16]。該算法可優(yōu)化一系列的凸逼近程序，也可優(yōu)化非線性程序。仿真結(jié)果表明，該方法在UAV不同飛行速度和竊聽(tīng)者不同位置情況下均可行，同時(shí)較傳統(tǒng)的直線軌跡和靜態(tài)中繼策略，可以有效地提高UAV通信系統(tǒng)的保密率。

　　2系統(tǒng)模型

　　本文研究了一種認(rèn)知UAV輔助的解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼竊聽(tīng)信道模型。該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)認(rèn)知UAV中繼(CognitiveRelay,CR)、一個(gè)次用戶(hù)發(fā)射機(jī)(SecondaryTransmitter,ST)、一個(gè)次用戶(hù)接收機(jī)(SecondaryReceiver,SR)、一個(gè)竊聽(tīng)者(Eavesdropper,Eve)和一個(gè)主用戶(hù)接收機(jī)(PrimaryReceive,PR)構(gòu)成，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配備一個(gè)天線，所有配備一個(gè)天線的節(jié)點(diǎn)在半雙工模式下工作。假設(shè)UAV有一個(gè)較大的緩沖區(qū)，并作為一個(gè)移動(dòng)中繼從ST接收數(shù)據(jù)，并利用解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略將其轉(zhuǎn)發(fā)到SR，Eve采用被動(dòng)竊聽(tīng)的方式對(duì)UAV進(jìn)行竊聽(tīng)。假設(shè)地面節(jié)點(diǎn)ST和SR、Eve、PR之間的通信鏈路被阻斷，本文通過(guò)UAV移動(dòng)中繼建立良好的空對(duì)地信道，將機(jī)密信息發(fā)送給其它目的終端。假設(shè)UAV已知合法用戶(hù)位置并可通過(guò)其配備的光學(xué)相機(jī)或合成孔徑雷達(dá)來(lái)檢測(cè)和跟蹤潛在Eve的位置[17]。

　　3仿真及數(shù)值結(jié)果分析

　　本節(jié)將通過(guò)仿真驗(yàn)證所提出的聯(lián)合優(yōu)化移動(dòng)中繼飛行軌跡和發(fā)射功率方案的安全性能。考慮在不同UAV飛行速度影響下的平均保密率，以及不同Eve位置影響下的UAV飛行軌跡與平均保密率。同時(shí)與傳統(tǒng)的靜態(tài)中繼和無(wú)優(yōu)化方案進(jìn)行比較。比較了當(dāng)UAV飛行速度為25m/s時(shí)，傳統(tǒng)靜態(tài)中繼方案、無(wú)優(yōu)化方案和本文所提聯(lián)合優(yōu)化方案的平均保密率。聯(lián)合優(yōu)化方案平均保密率收斂于3.3，無(wú)優(yōu)化和靜態(tài)中繼分別收斂于0.85和1.6。顯然所提出的聯(lián)合優(yōu)化方案在保密性能方面優(yōu)于靜態(tài)中繼方案和無(wú)優(yōu)化方案。這也證明了聯(lián)合優(yōu)化UAV飛行軌跡和功率方案可以有效提高系統(tǒng)的平均保密率。

　　通信論文范例：淺談網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)融合發(fā)展與改革創(chuàng)新研究

　　4結(jié)論

　　本文研究了一種UAV輔助的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)安全通信問(wèn)題，提出了一種保密率最大化的聯(lián)合優(yōu)化方案。由于在PR的干擾功率與ST和UAV的發(fā)射功率約束下所考慮的問(wèn)題是非凸的，很難得到有效的解決。因此采用一種基于連續(xù)凸逼近的求解算法來(lái)優(yōu)化問(wèn)題，使得近似凸規(guī)劃的問(wèn)題得到最優(yōu)解。仿真結(jié)果證明了聯(lián)合優(yōu)化方案在最大化CR-RC網(wǎng)絡(luò)的平均保密率問(wèn)題的優(yōu)越性。同時(shí)，這項(xiàng)工作可以擴(kuò)展到認(rèn)知用戶(hù)物理層安全性能等方面的研究。

　　參考文獻(xiàn)

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