智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法及系统
本发明涉及无线通信，尤其涉及一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法及系统。
背景技术：
1、近年内，地面到无人机(uav)的信息传输广泛应用于军事和民用系统，如紧急救援、移动基站和移动中继等。
2、智能反射面(irs)是由众多低成本的无源电磁反射单元构成的平面阵列。智能反射面可以改变入射电磁波的相位和幅值，经过智能反射面反射的射频信号可以选择性地相干叠加或抵消，从而在提高合法用户接收信号功率的同时，抑制机密信息朝非期望方向的泄漏，提高无线通信的物理层安全。即智能反射表面可用于提高地面到无人机通信的信息传输速率。
3、目前，很多研究者提出了一种在irs的帮助下从无人机到地面的通信系统，该系统利用irs带来的信道增益以及无人机的移动性来增加系统的传输速率。然而，irs辅助的地面到无人机传输容易被窃听者窃听。因此，irs辅助的地面到无人机传输的安全问题、以及在地面存在窃听者的情况下，保证irs辅助的地面到无人机的信号传输问题引起了广泛关注。
4、基于上述情况，目前已有一些研究者提出了一种在窃听者存在的情况下，如何提升irs辅助的无人机到地面的安全传输速率的方法。由于无线传感器网络中可以通过网络优化来提升irs辅助无人机的安全数据采集速率。因此，该方法为：在地面窃听者存在的情况下，irs可以网络优化来提高地面到无人机的上行和下行传输速率。多个合法用户通过网络优化来提升携带irs无人机到基站的信息传输速率。
5、然而，上述方式只通过网络优化等方法来提升安全传输速率，但没有采用主动干扰手段来干扰潜在的窃听者。而在干扰信号存在的情况下，如何保证irs辅助的地面到无人机的信号传输，又成了亟待解决的核心问题。
技术实现思路
1、为解决在地面存在窃听者，无人机主动对窃听者发送干扰信号的情况下，如何使非干扰信号的传输得到有效保证的技术问题，本发明实施例提供一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法及系统。
2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：
3、本发明实施例提供了一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法，所述方法应用于主动干扰安全传输系统，所述系统包括地面信源、空中无人机、地面窃听者和地面智能反射面，其中，所述信源向所述无人机传输机密信息，所述智能反射面用于增强所述信源机密信息到所述无人机的传输速率，所述无人机为全双工模式，在接收所述信源机密信息的同时向所述窃听者发送干扰信号，所述信源与所述窃听者通过障碍物隔离，所述窃听者接收所述无人机发送的干扰信号、所述智能反射面反射的机密信息和所述智能反射面反射的干扰信号，方法包括：构建无人机接收信号模型；确定所述无人机在信号与干扰加噪声比达到最大时的第一条件，在所述第一条件下，基于所述无人机接收信号模型构建无人机信号与干扰加噪声比模型；构建窃听者接收信号模型；确定所述窃听者在信号与干扰加噪声比达到最大时的第二条件，在所述第二条件下，基于所述窃听者接收信号模型构建窃听者信号与干扰加噪声比模型；确定传输非中断和保密非中断条件，在所述传输非中断和保密非中断条下，基于所述无人机信号与干扰加噪声比模型和所述窃听者信号与干扰加噪声比模型，构建安全传输非中断概率模型；获取所述安全传输非中断概率模型的计算结果，根据所述计算结果确定是否控制所述无人机自适应发送干扰信号。
4、在一实施例中，所述无人机接收信号模型为：
5、
6、其中，ps和pd分别表示信源(s)和无人机(d)的发射功率，ts和td分别表示满足e{|ts|2}＝1和e{|td|2}＝1的信源(s)和无人机(d)的发射信号，表示智能反射表面(irs)上的振幅，θi表示irs上的反射天线的相位，和分别是信源到无人机(s-d)、信源到irs(s-r)和irs到无人机(r-d)的信道增益，χ表示复随机变量χ＝χ1+jχ2，其中和χ2～n(0,1/(2(ksd+1)))是相互独立的随机变量，ksd是莱斯因子，将重写为重写为其中是具有莱斯因子krd的莱斯随机变量，
7、和ωi2～n(0,1/(2(krd+1)))是相互独立的随机变量，是瑞利随机变量，μi1～n(0,1/2)和μi2～n(0,1/2)是相互独立且具有相同分布的随机变量，ψi和分别是信源到irs(s-r)和irs到无人机(r-d)对应的信道相位，τsd,τsr和τrd是路径损耗指数，β1与β2分别表示在参考距离为1米时的地面到无人机和地面到地面的信道功率增益，用于建模自干扰信道，hdd其中是均值为零的圆对称复高斯随机变量，方差为1，0≤ρ≤1表示自干扰系数，nd表示无人机上的加性白高斯噪声(awgn)，即σd为无人机接收信号的方差，τi＝α1prlos(θi)+α2,i∈{sd,rd,de}为路径损耗指数，i∈{sd,rd,de}为衰落因子，衰落因子越大，信号衰减到越快，i∈{sd,rd,de}为可视距传输概率，可视距传播概率越大，传输环境越好，i∈{sd,rd,de}，为仰角，α1,α2,α3,δ1,δ2和δ3是由环境确定的常数值，dsr＝((xs-xr)2+(ys-yr)2)1/2为信源(s)和智能反射表面(r)之间的距离，dsd＝((xs-xd)2+(ys-yd)2+v2)1/2为信源(s)和无人机(d)之间的距离，dre＝((xr-xe)2+(yr-ye)2)1/2为窃听者(e)和智能反射表面(r)之间的距离，drd＝((xr-xd)2+(yr-yd)2+v2)1/2为无人机(d)和智能反射表面(r)之间的距离，dde＝((xe-xd)2+(ye-yd)2+v2)1/2为无人机(d)和窃听者(e)之间的距离，信源(s)、窃听者(e)、智能反射表面(r)和无人机(d)的坐标分别为(xs,ys,0),(xe,ye,0),(xr,yr,0)及(xd,yd,v)，xs,xe,xr,xd为x轴的值，ys,ye,yr,yd为y轴的值，v为z轴的值和无人机的高度。
8、在一实施例中，所述无人机在信号与干扰加噪声比达到最大时的第一条件为：
9、在一实施例中，在所述第一条件下，基于所述无人机接收信号模型构建无人机信号与干扰加噪声比模型为：
10、在所述第一条件下，所述无人机接收信号模型改写为：
11、
12、其中，υ＝χ；
13、基于改写后的所述无人机接收信号模型，所述无人机信号与干扰加噪声比模型为：
14、
15、其中，
16、在一实施例中，所述窃听者接收信号模型为：
17、
18、其中，ps和pd分别表示信源(s)和无人机(d)的发射功率，ts和td分别表示满足e{|ts|2}＝1和e{|td|2}＝1的信源(s)和无人机(d)的发射信号，表示智能反射表面(irs)上的振幅，θi表示irs上的反射天线的相位，和分别是智能反射表面到窃听者(r-e)、无人机到窃听者(d-e)和无人机到智能反射表面(d-r)的信道增益；将重写为将重写为其中是具有莱斯因子krd的莱斯随机变量，和ηi2～n(0,1/(2(krd+1)))是相互独立的随机变量，是瑞利随机变量，νi1～n(0,1/2)和νi2～n(0,1/2)是相互独立且具有相同分布的随机变量，是复随机变量，满足其中和是相互独立随机变量，
19、kde是莱斯因子，τsd,τsr和τrd是路径损耗指数，φi和ωi是智能反射表面到窃听者(r-e)和无人机到智能反射表面(d-r)对应的信道相位，β1与β2分别表示在参考距离为1米时的地面到无人机和地面到地面的信道功率增益，ne是无人机上的加性白高斯噪声(awgn)，即为窃听者接收信号的方差，
20、τi＝α1prlos(θi)+α2,i∈{sd,rd,de}为路径损耗指数，i∈{sd,rd,de}为衰落因子，衰落因子越大，信号衰减到越快，i∈{sd,rd,de}为可视距传输概率，可视距传播概率越大，传输环境越好，i∈{sd,rd,de}，为仰角，α1,α2,α3,δ1,δ2和δ3是由环境确定的常数值，dsr＝((xs-xr)2+(ys-yr)2)1/2为信源(s)和智能反射表面(r)之间的距离，dsd＝((xs-xd)2+(ys-yd)2+v2)1/2为信源(s)和无人机(d)之间的距离，dre＝((xr-xe)2+(yr-ye)2)1/2为窃听者(e)和智能反射表面(r)之间的距离，drd＝((xr-xd)2+(yr-yd)2+v2)1/2为无人机(d)和智能反射表面(r)之间的距离，dde＝((xe-xd)2+(ye-yd)2+v2)1/2为无人机(d)和窃听者(e)之间的距离，信源(s)、窃听者(e)、智能反射表面(r)和无人机(d)的坐标分别为(xs,ys,0),(xe,ye,0),(xr,yr,0)及(xd,yd,v)，xs,xe,xr,xd为x轴的值，ys,ye,yr,yd为y轴的值，v为z轴的值和无人机的高度。
21、在一实施例中，所述窃听者在信号与干扰加噪声比达到最大时的第二条件为：
22、在一实施例中，在所述第二条件下，基于所述窃听者接收信号模型构建窃听者信号与干扰加噪声比模型为：
23、在所述第二条件下，所述窃听者接收信号模型改写为：
24、
25、基于改写后的所述窃听者接收信号模型，所述窃听者信号与干扰加噪声比模型为：
26、
27、其中，
28、在一实施例中，确定传输非中断条件为：cd≥rd，其中，cd＝log2(1+sinrd)为信源到无人机之间的信道容量，rd传输非中断的阈值速率；确定保密非中断条件为：ce＜re，其中，ce＝log2(1+sinre)为信源到窃听者之间的信道容量，re保密非中断的阈值速率。
29、在一实施例中，构建的安全传输非中断概率模型为：
30、pnon-out＝prob(cd≥rd,ce＜re)计算式(7)。
31、本发明实施例还提供了一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输系统，所述系统包括地面信源、空中无人机、地面窃听者和地面智能反射面，其中，所述信源向所述无人机传输机密信息，所述智能反射面用于增强所述信源机密信息到所述无人机的传输速率，所述无人机为全双工模式，在接收所述信源机密信息的同时向所述窃听者发送干扰信号，所述信源与所述窃听者通过障碍物隔离，所述窃听者接收所述无人机发送的干扰信号、所述智能反射面反射的机密信息和所述智能反射面反射的干扰信号，所述系统执行上述任一项所述方法的步骤。
32、本发明实施例提供的智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法及系统，方法应用于主动干扰安全传输系统，所述系统包括地面信源、空中无人机、地面窃听者和地面智能反射面，其中，所述信源向所述无人机传输机密信息，所述智能反射面用于增强所述信源机密信息到所述无人机的传输速率，所述无人机为全双工模式，在接收所述信源机密信息的同时向所述窃听者发送干扰信号，所述信源与所述窃听者通过障碍物隔离，所述窃听者接收所述无人机发送的干扰信号、所述智能反射面反射的机密信息和所述智能反射面反射的干扰信号，方法包括：构建无人机接收信号模型；确定所述无人机在信号与干扰加噪声比达到最大时的第一条件，在所述第一条件下，基于所述无人机接收信号模型构建无人机信号与干扰加噪声比模型；构建窃听者接收信号模型；确定所述窃听者在信号与干扰加噪声比达到最大时的第二条件，在所述第二条件下，基于所述窃听者接收信号模型构建窃听者信号与干扰加噪声比模型；确定传输非中断和保密非中断条件，在所述传输非中断和保密非中断条下，基于所述无人机信号与干扰加噪声比模型和所述窃听者信号与干扰加噪声比模型，构建安全传输非中断概率模型；获取所述安全传输非中断概率模型的计算结果，根据所述计算结果确定是否控制所述无人机自适应发送干扰信号。本发明提供的方案推导出了安全传输非中断概率的闭合表达式，并分析了安全传输性能，经过分析，采用主动干扰且能消除自干扰的安全传输方案可优于无主动干扰的安全传输方案，即在无人机主动发送干扰信号的情况下，提高了信息传输保密性能。
技术特征：
1.一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法，其特征在于，所述方法应用于主动干扰安全传输系统，所述系统包括地面信源、空中无人机、地面窃听者和地面智能反射面，其中，所述信源向所述无人机传输机密信息，所述智能反射面用于增强所述信源机密信息到所述无人机的传输速率，所述无人机为全双工模式，在接收所述信源机密信息的同时向所述窃听者发送干扰信号，所述信源与所述窃听者通过障碍物隔离，所述窃听者接收所述无人机发送的干扰信号、所述智能反射面反射的机密信息和所述智能反射面反射的干扰信号，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机接收信号模型为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无人机在信号与干扰加噪声比达到最大时的第一条件为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第一条件下，基于所述无人机接收信号模型构建无人机信号与干扰加噪声比模型为：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述窃听者接收信号模型为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述窃听者在信号与干扰加噪声比达到最大时的第二条件为：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第二条件下，基于所述窃听者接收信号模型构建窃听者信号与干扰加噪声比模型为：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定传输非中断条件为：cd≥rd，其中，cd＝log2(1+sinrd)为信源到无人机之间的信道容量，rd传输非中断的阈值速率；确定保密非中断条件为：ce＜re，其中，ce＝log2(1+sinre)为信源到窃听者之间的信道容量，re保密非中断的阈值速率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，构建的安全传输非中断概率模型为：
10.一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输系统，其特征在于，所述系统包括地面信源、空中无人机、地面窃听者和地面智能反射面，其中，所述信源向所述无人机传输机密信息，所述智能反射面用于增强所述信源机密信息到所述无人机的传输速率，所述无人机为全双工模式，在接收所述信源机密信息的同时向所述窃听者发送干扰信号，所述信源与所述窃听者通过障碍物隔离，所述窃听者接收所述无人机发送的干扰信号、所述智能反射面反射的机密信息和所述智能反射面反射的干扰信号，所述系统执行如权利要求1至9中任一项所述方法的步骤。
技术总结
本发明公开了一种智能反射面辅助的无人机主动干扰安全传输方法及系统。其中，方法包括构建无人机接收信号模型；确定无人机在信号与干扰加噪声比达到最大时的第一条件，在第一条件下，构建无人机信号与干扰加噪声比模型；构建窃听者接收信号模型；确定窃听者在信号与干扰加噪声比达到最大时的第二条件，在第二条件下，构建窃听者信号与干扰加噪声比模型；确定传输非中断和保密非中断条件，在传输非中断和保密非中断条下，构建安全传输非中断概率模型；获取安全传输非中断概率模型的计算结果，根据计算结果确定是否控制无人机自适应发送干扰信号。本发明提供的方案推导出了安全传输非中断概率的闭合表达式，并分析了安全传输性能。
技术研发人员：申毅,陈心怡,周鲜成,谭平,王莉
受保护的技术使用者：湖南工商大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23