一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，针对两架无人机之间的安全通信系统，防止消息被窃听者窃取、抑制干扰源的对接收端的干扰，通过设计发射端和接收端的波束赋形向量来提高系统安全通信率。所述的方法包括对由无人机、干扰源和窃听者构成的安全通信系统进行建模，对系统安全通信率进行建模，以及发射端和接收端波束赋形向量的联合优化算法，减少了信息泄露，降低了干扰，提高了系统安全通信率。了系统安全通信率。了系统安全通信率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法


[0001]本专利技术属于无人机通信
，具体是一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法。

技术介绍

[0002]近年来无人机凭借其移动性强、成本较低等特点，被广泛应用于地面勘测、农业灌溉、航空摄影、灾害救援等方面，在通信领域的优势也十分明显，引起了学术界的广泛关注。随着当下微波频段频谱资源日益短缺，具有丰富带宽的毫米波成为了解决频谱短缺问题的关键技术之一。无人机因其高机动性和高度优势，恰好可以弥补毫米波传输距离短、衰减严重的问题，毫米波天线尺寸小，使得在无人机上部署大规模天线阵列成为可能，同时，毫米波波束赋形技术能够使波束具有更强的指向性，降低通信链路之间的干扰，提高通信可达率，因此，无人机毫米波通信技术的研究具有重要的实际应用价值。
[0003]随着无线通信技术的普及，大量密级信息也通过无线系统进行传输，例如无人机应用于军事作战领域中军事打击、秘密探测等任务时，对于通信的各项要求及保密程度也和民用无人机有着很大的区别。尤其是随着无人机向着集群协同方向发展，无人机机间的安全通信已成为一项重要的需求和挑战。然而，电磁波自身具备的无线电特性，以及无线信道介质所具备的开放特性(广播特性)，使得安全通信的设计遇到了重大的挑战。一类典型的安全通信方法是在网络层进行加密，然而仅利用密钥加密的方法已难以满足无人机机间安全通信的需求，对物理层的安全性设计尤为重要。相比之下，物理层安全通信可以利用无线信道的特性最大化合法用户的信号可达率，同时降低非法用户的可达率，从而提高无线通信系统的安全性能，波束赋形就是其中一项非常重要的技术。它的本质是对发射信号在发射端和接收端进行预处理，使得信号更集中地朝合法用户方向发射，从而规避非法用户的窃听和干扰等非安全因素。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，通过设计无人机发射和接收波束赋形向量提高合法链路通信可达率，减少泄露，降低干扰，提高安全通信率。
[0005]本专利技术基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，具体步骤如下：
[0006]步骤一、建立无人机A、无人机B、I个窃听者、J个干扰源的空间位置模型；其中，无人机A与无人机B分别为发射无人机与接收无人机；
[0007]步骤二、建立无人机A到无人机B、无人机A到窃听者、干扰源到无人机B的通信信道模型。
[0008]步骤三、无人机A以一定功率向无人机B发射信号，干扰源干扰无人机B的接收，窃听者窃听无人机A发出的信号。
[0009]步骤四、计算无人机A到无人机B链路和无人机A到窃听者链路的可达率。
[0010]步骤五、设计无人机A的发射波束赋形向量和无人机B的接收波束赋形向量，以最大化系统安全通信率，构建目标函数。
[0011]步骤六、采用交替优化的方法来联合设计无人机A的发射波束赋形向量和无人机B的接收波束赋形向量，以最大化机间安全通信率。
[0012]本专利技术的优点在于：
[0013]1、本专利技术基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，针对一种全新的无人机机间安全通信的应用场景进行建模，降低了窃听者窃取信号可达率和接收端无人机受到的干扰，提高了机间安全通信率。
[0014]2、本专利技术基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，提出了一种机间安全通信中安全通信率的模型；
[0015]3、本专利技术基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，提出了一种窃听及干扰抑制算法，交替优化发射端无人机和接收端无人机的波束赋形向量。
附图说明
[0016]图1为机间毫米波安全通信的系统模型示意图；
[0017]图2为当I＝J＝5时，系统平均安全率随无人机A的发射功率的变化；
[0018]图3为当I＝J＝5时，系统平均安全率随无人机A的高度的变化；
[0019]图4为当I＝J＝10时，系统平均安全率随干扰者窃听者分布范围的变化。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和实例对本专利技术进行详细说明。
[0021]本专利技术提供了一种机间毫米波安全通信技术，具体步骤如下：
[0022]步骤一、建立无人机A、无人机B、I个窃听者、J个干扰源的空间位置模型；无人机A与无人机B分别为发射无人机与接收无人机。
[0023]如图1所示，以地面上任意一点为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上，令I个窃听者和J个干扰源均处于地面，即高度均为零，无人机配备均匀平面阵列且与xOy平面平行，窃听者和干扰源均为单天线。设无人机A的坐标为(x
A
,y
A
,h
A
)，无人机B的坐标为(x
B
,y
B
,h
B
)，窃听者i的坐标为(x
i
,y
i
,0),i＝1,2,
…
,I，干扰源j的坐标为(x
j
,y
j
,0),j＝1,2,
…
,J。
[0024]101、由三维几何关系，计算无人机A与无人机B之间的距离d
AB
、以及无人机A与无人机B之间的俯仰角θ
A
,θ
B
和方位角
[0025][0026][0027][0028]102、计算无人机A到窃听者i的距离d
Ai
、无人机A相对于窃听者的俯仰角θ
Ai
和方位角
[0029][0030][0031][0032]103、计算干扰源j到无人机B的距离d
jB
、干扰源相对于无人机B的俯仰角θ
jB
和方位角
[0033][0034][0035][0036]步骤二、建立无人机A到无人机B、无人机A到窃听者、干扰源到无人机B的通信信道模型。由于远场毫米波信道的方向性和稀疏性，通信链路的信道矩阵可以表示为多径分量的叠加，且毫米波信道一般由视距(Line of Sight,LoS)分量和非视距(non
‑
LoS,NLoS)分量两部分构成，不同的路径具有不同的发射角和到达角。设无人机A和无人机B的均匀平面阵列天线数分别为和M为x轴方向的天线数，N为y轴方向天线数。对通信信道的建模步骤如下：
[0037]201、当无人机A到无人机B之间存在LoS链路时，无人机A到无人机B的信道矩阵H
AB
可以建模如下：
[0038][0039]式(10)中，第一项(+号左边部分)表示LoS分量部分，为LoS分量的信道增益复系数，可以表示为：
[0040][0041]其中，c为光速，f
c
为载波频率，α为LoS路径损耗指数。分别为LoS分量的垂直到达角、水平到达角、垂直发射角、水平发射角，由视距的定义和无人机的空间位置可知α
B
(
·
)为无人机B处接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，其特征在于：步骤如下：步骤一、建立无人机A、无人机B、I个窃听者、J个干扰源的空间位置模型；其中，无人机A与无人机B分别为发射无人机与接收无人机；步骤二、建立无人机A到无人机B、无人机A到窃听者、干扰源到无人机B的通信信道模型；步骤三、无人机A以一定功率向无人机B发射信号，干扰源干扰无人机B的接收，窃听者窃听无人机A发出的信号；步骤四、计算无人机A到无人机B链路和无人机A到窃听者链路的可达率；步骤五、设计无人机A的发射波束赋形向量和无人机B的接收波束赋形向量，以最大化系统安全通信率，构建目标函数；步骤六、采用交替优化的方法来联合设计无人机A的发射波束赋形向量和无人机B的接收波束赋形向量，以最大化机间安全通信率。2.如权利要求1所述一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，其特征在于：步骤一中具体模型建立方法为：以地面上任意一点为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上，令I个窃听者和J个干扰源均处于地面，即高度均为零，无人机配备均匀平面阵列且与xOy平面平行，窃听者和干扰源均为单天线。设无人机A的坐标为(x
A
,y
A
,h
A
)，无人机B的坐标为(x
B
,y
B
,h
B
)，窃听者i的坐标为(x
i
,y
i
,0),i＝1,2,
…
,I，干扰源j的坐标为(x
j
,y
j
,0),j＝1,2,
…
,J。无人机A与无人机B之间的距离d
AB
、以及无人机A与无人机B之间的俯仰角θ
A
,θ
B
和方位角和方位角和方位角和方位角无人机A到窃听者i的距离d
Ai
、无人机A相对于窃听者的俯仰角θ
Ai
和方位角和方位角和方位角和方位角干扰源j到无人机B的距离d
jB
、干扰源相对于无人机B的俯仰角θ
jB
和方位角和方位角和方位角
3.如权利要求1所述一种基于毫米波波束赋形的无人机机间安全通信方法，其特征在于：步骤二中，对通信信道的建模步骤如下：a、无人机A到无人机B的通信信道建模；当无人机A到无人机B之间存在LoS链路时，无人机A到无人机B的信道矩阵H
AB
建模如下：式中，第一项表示LoS分量部分，为LoS分量的信道增益复系数；α
B
(
·
)为无人机B处接收信号指向向量；α
A
(
·
)为无人机A处发射信号指向向量；分别为LoS分量的垂直到达角、水平到达角、垂直发射角、水平发射角；L
AB
为无人机A到无人机B的NLoS分量总数，分别第l条NLoS分量的垂直到达角、水平到达角、垂直发射角、水平发射角，为第l条NLoS分量的复增益系数；b、无人机A到窃听者的通信信道建模；无人机A到窃听者i的窃听信道矩阵h
Ai
表示为式中,分别为无人机A与窃听者i之间LoS窃听信道的垂直发射角和水平发射角，L
Ai
为NLoS分量总数，分别为第s条NLoS窃听信道的垂直发射角和水平发射角，α
Ai
(
·
)为无人机A到窃听者i的发射信号指向向量，和分别为LoS分量和第s条NLoS分量信道增益复系数；c、干扰源到无人机B的通信信道建模；干扰源j到无人机B的干扰信道矩阵h
jB
可以表示为：式中，分别为干扰源j与无人机B间LoS干扰信道的垂直到达角和水平到达角，L
jB
为NLoS分量总数，分别为第t条NLoS干扰信道的垂直到达角和水平到达角，α
jB
...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖振宇，井彦祺，刘珂，朱立鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：