无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法与流程

本发明涉及无线通信，特别是指一种具有未知窃听者的无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法。

背景技术：

1、为了在物联网(iot)框架内促进包括智能工业、电子商务和智能城市在内的一系列应用，数十亿台设备必须集成到移动网络中。然而，由于电池容量的固有限制，部署容纳大量低功耗物联网设备的广泛无线网络带来了相当大的挑战。最近，无线供电通信网络的概念作为一种增强生态系统能力的解决方案引起了人们的极大关注。在这些网络中，物联网设备能够从射频(rf)信号中获取能量。尽管取得了这一进步，嵌入物联网设备中的有源rf组件仍然需要对无线通信进行大量的能源投资。为了解决这一问题并实现节能通信的目标，使设备能够通过调制和反射现有环境信号来传输数据的反向散射通信已成为促进超低功率物联网设备部署的一种引人注目的方法。反向散射设备不是产生自己的信号，而是利用来自输入信号的能量来传递信息，即使是连续操作也只消耗几微瓦的功率。

2、利用高机动性和灵活部署，无人机通信已被广泛研究，以扩大无线网络覆盖范围。无人机非常适合部署在缺乏通信的紧急情况下，如军事行动和灾难救援任务。此外，当地面基础设施无法提供有利于反向散射通信的环境rf信号时，无人机发射的信号可以作为促进反向散射通信的一种有前途的替代方案。

3、尽管无人机辅助ambc有其优点，但暴露的无线信道环境和广泛的标签部署对网络安全构成了巨大威胁。为了减轻相关风险，物理层安全(pls)利用固有的物理信道属性，绕过了通过加密方法减轻风险的单一依赖，被认为是一种有前景的解决方案。在pls的背景下，wyner的开创性工作引入了保密能力的基本概念。这个基本概念量化了主频道和窃听频道之间的区别。此外，还严格证明了在窃听信道的质量低于主信道的情况下，实现完全保密是可行的。此后，大量相关研究在增强传统无线通信系统的安全性方面取得了重大进展。但由于窃听者在实践中可能保持沉默，因此在真实的窃听场景中获取他们的先验信息是一项挑战。在这种情况下，保密中断概率将是最重要的指标。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，集成了多天线协同干扰器，在不影响合法接收器的情况下有意干扰窃听者；该网络模型在支持物联网应用方面具有巨大潜力。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，建立uav辅助的反向散射通信网络，该反向散射通信网络包括一个无人机s、一个地面用户r、一个反向散射标签t、一个反向散射接收器d、一个协同干扰机j和一个被动窃听器eve；在通信系统中，无人机s保持在固定高度h作为空中基站，为地面用户r传输机密信号x；同时，反向散射标签t建立反向散射链路将自身信息传输至反向散射接收器d；两条通信链路在同一频带内工作，在该通信系统中，引入协同干扰机j来发射人工噪声，故意混淆被动窃听器eve。

4、空地信道的路径损耗包括视距(los)链路分量和非视距(nlos)链路分量；对于具有无人机和地面节点的空地链路，其los链路概率plos建模为：

5、

6、其中，μ1和μ2是取决于传播环境的常数参数；是仰角，其中d表示无人机与地面节点之间的水平距离；同样，nlos概率表示为pnlos＝1-plos；

7、因此，空地信道的路径损耗系数lag表示为：

8、

9、其中，η1是los链路在1米距离处的参考路径损耗系数，η2是nlos链路在1米距离处的参考路径损耗系数；是空地链路的距离，α1＝2是空地路径损耗指数；

10、空地信道的小规模衰落用nakagami-m分布来描述；空地信道增益系数|hsi|2通过具有参数msi的伽玛分布来建模，即|hsi|2～γ(msi,1/msi)；

11、地面链路的路径损耗系数lgg表示为：

12、

13、其中，η0是1米处的参考路径损耗系数；α2>2是路径损耗指数；

14、地面链路的小尺度衰落被建模为瑞利衰落；地面信道增益gij遵循参数为λij指数分布，即gij～exp(λij)。

15、所述协同干扰机j的发射信号sj表示为：

16、

17、其中，p为无人机s和协同干扰机j的总发射功率，分配给s的功率分配系数为φ，其中φ∈(0,1)，是位于hjr,hjt和hjd的零空间中的干扰信号的预编码矩阵；z是一个(nt-3)×1的an向量；z的所有项都是独立同分布的且服从nt表示干扰机天线数目。

18、反向散射标签t仅在收集的能量足以驱动内部电路工作的条件下进行传输，否则保持静默；具体步骤如下：

19、步骤一、在该通信系统中，反向散射标签t采用非线性能量采集模型来收集能量；将收集到的能量分为两部分：用于驱动标签的内部电路，用于反向散射信号，其中，β表示标签的动态反射系数，yt表示标签的接收信号；反向散射标签t的采集功率po为：

20、

21、其中，pr表示用于能量收集的输入功率，pr＝(1-β)plst|hst|2；lst表示s到t的信道衰落系数，hst表示s到t的信道增益；pmax表示当输入功率非常大时的饱和功率；v0表示灵敏度阈值；v1和v2均为固定参数；

22、步骤二、设pc表示标签的内部电路所消耗的功率，当po≥pc时，执行步骤三；否则，执行步骤四；

23、步骤三、标签被激活，反向散射标签t利用反向散射技术来调制自身的编码信息到rf信号上，且满足po＝pc；又因0≤β≤1，所以最优动态反射系数为：

24、

25、其中，

26、步骤四、标签保持沉默，最优动态反射系数β*＝0。

27、与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

28、1)本发明对无人机辅助的ambc网络进行了保密中断性能测试，其中无人机被用作空中基站，为孤立的地面用户提供服务，ambc标签利用无人机的rf信号将其自己的信息发送到其相关接收器。

29、2)系统中集成了多天线协同干扰器，在不影响合法接收器的情况下有意干扰窃听者。

30、3)该网络模型在支持物联网应用方面具有巨大潜力，其中无人机可以作为rf信号源，促进物联网设备之间的设备对设备(d2d)通信。

31、4)为了表征安全性能，推导了空对地链路和反向散射链路的安全中断概率表达式。蒙特卡罗模拟验证了分析结果的正确性和有效性。

32、5)在发射功率较高的情况下，分配部分功率进行协同干扰是提高所考虑系统保密性能的有效途径。此外，用于最小化sop的最优功率分配因子与总发射功率密切相关。

技术特征：

1.一种无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，其特征在于，建立uav辅助的反向散射通信网络，该反向散射通信网络包括一个无人机s、一个地面用户r、一个反向散射标签t、一个反向散射接收器d、一个协同干扰机j和一个被动窃听器eve；在通信系统中，无人机s保持在固定高度h作为空中基站，为地面用户r传输机密信号x；同时，反向散射标签t建立反向散射链路将自身信息传输至反向散射接收器d；两条通信链路在同一频带内工作，在该通信系统中，引入协同干扰机j来发射人工噪声，故意混淆被动窃听器eve。

2.根据权利要求1所述的无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，其特征在于，空地信道的路径损耗包括视距(los)链路分量和非视距(nlos)链路分量；对于具有无人机和地面节点的空地链路，其los链路概率plos建模为：

3.根据权利要求1所述的无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，其特征在于，所述协同干扰机j的发射信号sj表示为：

4.根据权利要求3所述的无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，其特征在于，反向散射标签t仅在收集的能量足以驱动内部电路工作的条件下进行传输，否则保持静默；具体步骤如下：

技术总结
本发明提出了一种无人机辅助环境反向散射通信系统的协作干扰方法，首先建立UAV辅助的反向散射通信网络，该反向散射通信网络包括一个无人机S、一个地面用户R、一个反向散射标签T、一个反向散射接收器D、一个协同干扰机J和一个被动窃听器Eve；在通信系统中，无人机S保持在固定高度H作为空中基站，为地面用户R传输机密信号x；同时，反向散射标签T建立反向散射链路将自身信息传输至反向散射接收器D；两条通信链路在同一频带内工作，在该通信系统中，引入协同干扰机J来发射人工噪声，故意混淆被动窃听器Eve。本发明集成了多天线协同干扰器，在不影响合法接收器的情况下有意干扰窃听者；该网络模型在支持物联网应用方面具有巨大潜力。

技术研发人员：秦飞飞
受保护的技术使用者：河南新十信息科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15