一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法

    技术2025-05-23  27


    本申请涉及无人机领域,具体的是利用无人机灵活机动性对非法中继链路进行主动窃听,设计无人机飞行轨迹和干扰功率,实现主动窃听速率的最大化。


    背景技术:

    1、随着无线技术的显著进步,业界已广泛部署了无需基础设施支持的无线通信链路,以满足多样化的应用需求。然而,这些新兴的无基础设施无线通信技术也带来了潜在的安全风险。[j.xu,l.duan,and r.zhang,“proactive eavesdropping via cognitivejamming in fading channels,”ieee trans.wireless commun.,vol.16,no.5,pp.2790-2806,may 2017.]。

    2、无线信息监视的一种简单方法是被动窃听,即合法的监视器只监听任何可疑用户的无线信道,以解码他们传输的信息。但是,只有当从源到合法监视器的窃听通道比到目的地的可疑通道好时,该方法才有效,这样可疑源发送的信息就可以在合法监视器上可靠地解码[y.zeng and r.zhang,“wireless information surveillance via proactiveeavesdropping with spoofing relay,”ieee j.sel.topics signal process.,vol.10,no.8,pp.1449-1461,dec.2016.]。

    3、中继技术在无线通信系统中扮演着举足轻重的角色,它是扩大通信覆盖范围、显著提升接收机信噪比的关键技术。

    4、在非法协同通信系统中,中继节点的存在为非法通信方提供了更广泛的通信范围和更高的接收质量,这使得原本就难以追踪和防范的非法通信活动变得更加隐蔽和难以察觉。文献[x.jiang,h.lin,c.zhong,x.chen,and z.zhang,"proactive eavesdropping inrelaying systems,"ieee signal process.lett.,vol.24,no.6,pp.917-921,jun.2017.]研究了双跳系统中的主动窃听问题,通过联合优化波束形成和功率分配,最大化主动窃听速率。

    5、无人机以其灵活机动性在通信中有着广泛的应用,文献[m.huang,y.chen,andx.tao,“proactive eavesdropping in uav systems via trajectory planning andpower optimization,”in proc.2021ieee wireless communications and networkingconference workshops(wcncw),nanjing,china,mar.2021,pp.1-6.]研究单跳链路下,通过优化无人能的飞行轨迹和干扰功率最大化窃听速率。

    6、上述解决方案存在以下问题:

    7、1.传统的被动监视在监视器的信道质量较差时无法使用。

    8、2.针对传统单跳链路的无人机主动窃听无法应用于无人机多跳链路。

    9、3.无人机的飞行起点和终点不在同一高度时,传统的2d轨迹设计无法应用。


    技术实现思路

    1、针对上述问题,本发明的目的在于解决现有技术中的一部分问题,或至少缓解这些问题。本发明提供一种针对中继链路主动窃听的无人机飞行轨迹和干扰功率优化方法及系统,联合优化无人机的飞行轨迹与干扰功率,最大化系统主动窃听速率。

    2、本发明采用的技术方案是,一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,包括以下步骤:

    3、构建通信系统模型:确定非法节点s,非法中继节点r和非法接收节点d的位置,以及无人机e起点和终点的位置,s和d之间没有直接链路,只能通过r进行中继,s和d之间的信息传输是自适应的,e同时接收s和r的链路信息,同时对d进行主动干扰,最终实现主动窃听,最大化窃听速率;

    4、以主动窃听速率最大化为目标,构造以无人机干扰功率,无人机水平飞行轨迹和无人机垂直飞行轨迹为变量的优化数学模型。

    5、根据无人机起始位置和终止位置确定采用2d轨迹优化还是3d轨迹优化。

    6、采用bcd方法对2d优化问题进行解耦合成为无人机水平飞行轨迹优化、无人机干扰功率优化两个子问题;3d优化问题进行解耦合成为无人机水平飞行轨迹、无人机垂直飞行轨迹优化、无人机干扰功率优化三个子问题,针对每个子问题,采用连续凸优化的方法将非凸子问题转化为凸问题进行求解;然后采用cvx工具箱进行求解。

    7、利用迭代算法对求解的子问题进行迭代得到优化的飞行轨迹和干扰功率,将上一个子问题的求解结果作为下一个子问题给定的值进行交替迭代,在保证窃听成功的前提下,最大化窃听速率。

    8、本发明还提供一种通信系统,包括非法节点s、非法中继节点r、非法接收节点d以及无人机e,s和d之间没有直接链路,只能通过r进行中继,s和d之间的信息传输是自适应的,e同时接收s和r的链路信息,同时对d进行主动干扰,该系统能够执行上述的基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法。

    9、本发明针对存在非法中继链路的实际情况,从合法监管的角度出发,以最大化主动窃听速率为目标,对无人机的干扰功率和飞行轨迹进行规划和设计。

    10、步骤1首先根据无线通信和合法监管的实际出发,构建无人机主动窃听的无线通信系统模型,该系统模型中需要根据无人机起始位置和结束位置判断进行2d轨迹优化还是和3d轨迹优化。

    11、步骤2针对模型求解的非凸性以及优化参数的高度耦合,采用bcd的思想对原问题解耦合,拆解成若干个子问题。

    12、步骤3采用松弛变量、一阶泰勒展开等连续凸近似的方法将非凸子问题转化为凸问题,最终采用cvx求解。

    13、步骤4基于迭代的思想,将步骤2和步骤3求得的子问题结果进行不断重复迭代,使得最终优化结果不断逼近一个定值,该定值即目标主动窃听速率。

    14、相比于其他单纯轨迹设计或者干扰功率优化的方式,本发明在保证窃听成功的前提下,具有更好的窃听速率。



    技术特征:

    1.一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于,包括以下步骤:

    2.根据权利要求1所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:所述2d优化问题为

    3.根据权利要求1所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:所述3d优化问题为

    4.根据权利要求2或3所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:所述无人机水平飞行轨迹优化子问题为

    5.根据权利要求4所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:所述子问题p1.1移除成功窃听约束rd[n]≤re[n],并引入松弛变量将p1.1转化为:

    6.根据权利要求2或3所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:所述无人机干扰功率优化子问题为

    7.根据权利要求6所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:将功率优化子问题(p1.2)转化为以下问题:

    8.根据权利要求3所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:无人机垂直飞行轨迹优化子问题为

    9.根据权利要求8所述一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,其特征在于:引入松弛变量,将子问题(p2.1)转化为凸问题进行求解:

    10.一种通信系统,其特征在于:包括非法节点s、非法中继节点r、非法接收节点d以及无人机e,s和d之间没有直接链路,只能通过r进行中继,s和d之间的信息传输是自适应的,e同时接收s和r的链路信息,同时对d进行主动干扰,该系统能够执行权利要求1-9任一项所述的基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法。


    技术总结
    本发明公开了一种基于主动窃听的无人机轨迹设计和功率优化方法,针对当前存在的两跳非法传输链路,以最大化平均窃听速率为目标,对无人机飞行轨迹和干扰功率进行优化设计。先构建符合场景的优化问题,然后基于Block Coordinate Descent(BCD)块坐标下降方法将原问题解耦成若干子问题,针对子问题利用连续凸近似(SCA)的方法进行求解,最后对子问题迭代求解,找到全局优化解。相比于其他单纯轨迹设计或者干扰功率优化的方式,本发明在保证窃听成功的前提下,具有更好的窃听速率。

    技术研发人员:雷宏江,但谦,陈莉
    受保护的技术使用者:重庆邮电大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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