一种不可信无人机辅助的无线安全隐蔽通信方法及系统

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种不可信无人机辅助的无线安全隐蔽通信方法及系统。

背景技术：

1、在过去的几十年间，随着人们对通信需求日益增长，现代通信技术经历了数代的革新和发展，极大地改变了人们的通信方式，并在很大程度上缓解了人们对通信的需求。其中，无线通信技术更是在近年来得到了飞速发展。但由于无线通信信道自身存在的广播特性、环境复杂性和用户随机移动性等特点，导致未来的无线通信在通信可靠性和数据吞吐的提高上面临着巨大的挑战。因此，对于无线通信网络来说，研究可靠的安全增强机制是当务之急。

2、目前，各种无线通信网络的安全方案依然沿用传统无线网络采用的的高层加密体制，无论是蜂窝无线网络，还是其他无线通信网络，通信中的信息安全仍存在着许多待解决的问题，而无线通信在物理层安全方面却具有独特的优势，其信道特征和安全机制都提高了信息传输的可靠性，同时，协同和中继技术也可增强物理层安全性能。然而，以上技术常用于保护信息不被窃取，传输行为本身有暴露的风险。

3、无线隐蔽通信的目的是在无线传输环境中实现防止检测者的检测，其主要目标为实现通信的保密性、隐蔽性和抗干扰性，通过实现上述目标，无线隐蔽通信可以保护隐私、保护敏感信息、防止窃听和攻击。常见的隐蔽无线通信模型如图1所示，图1所示模型是一跳传输中的隐蔽通信模型，源节点向目的节点发送信息，一个检测者被动地检测源节点是否有通信行为。隐蔽通信的目的是隐藏通信行为的同时最大化传输速率。在现有的隐蔽通信研究中，主要包括单跳中继系统和两跳中继系统。目前的隐蔽通信研究大多分析了单跳和两跳各种通信场景下的隐蔽性能，包括信道不同、噪声不同、功率约束约束不同和中继不同等，隐蔽性能包括最大化隐蔽速率、最小化中断概率、最大化发射功率等。对于固定节点的系统来说，在部署和功率分配上存在一定的局限性。因此最近的隐蔽通信研究中已经引入了无人机节点，例如无人机作为源节点、中继节点、目的节点或者检测者，并分别分析了隐蔽通信的性能。然而，目前的隐蔽通信研究工作还未考虑不可信无人机作为中继辅助传输的情况。在实际应用中，用户有可能使用公共的无人机作为中继节点为其服务，如果无人机本身不可信，那么将存在泄露秘密信息的风险。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种不可信无人机辅助的无线安全隐蔽通信方法及系统，使用不可信无人机中继器和全双工接收器作为目的节点，在满足隐蔽约束和安全约束的前提下，有效地提高了系统的隐蔽通信速率和安全性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种不可信无人机辅助的无线安全隐蔽通信系统，包括源节点、无人机中继、目的节点和检测者，源节点想要发送秘密信息至目的节点，无人机中继作为源节点和目的节点之间的辅助节点，无人机中继位于高度为h的上空，源节点向目的节点发送秘密信息，所述发送包括第一跳传输和第二跳传输；在第一跳传输中，考虑一个不可信的无人机，在转发消息同时窃取秘密消息，利用目的节点不间断发出干扰信号，通过计算安全约束条件调整无人机的高度；在第二跳传输中，检测者通过检测无人机的发射功率判断传输是否存在，目的节点发出干扰信号干扰检测者和无人机中继。

3、进一步的，系统中无线信道包括数据链路、检测链路和干扰链路，均使用准静态瑞利衰落建模无线信道，信道系数在一个时隙内不变，在不同时隙间独立变化。

4、进一步的，在通信过程中，无人机中继为地面设备提供los链接；目的节点和检测者间的信道和目的节点自身的信道分别为hbw和hbb，hbw的概率密度函数为：f(x)＝e-x，所用信道噪声均为服从cn～(0,σ2)的加性高斯白噪声，设无人机中继知道hua、hub、huw，目的节点仅知道hub，检测者仅知道huw。

5、进一步的，在第一阶段，如果源节点发送了隐蔽信息，则进入第二阶段，无人机中继将收到信息的线性缩放版本转发给目的节点，所述线性缩放版本以g为标量，依据功率约束来确定g的值；检测者通过分析无人机中继的转发信号判断源节点是否发送秘密信息。

6、进一步的，检测者对源节点是否发射隐蔽信息的判断错误概率为误警概率pfa和漏检概率pmd之和；检测者采用二进制假设检验判断源节点是否发送隐蔽信息，误警概率是指检测者判断隐蔽传输存在，实际不存在，漏检概率是指检测者判断隐蔽传输不存在，实际存在，检测者总的检验错误概率为：

7、

8、检测者处最优的检测阈值γ*为：

9、

10、相应的最小检测错误概率为：

11、

12、进一步的，隐蔽约束为：

13、ζ*≥1-ε

14、代入ζ*的值，可以得到无人机的悬停高度的范围：

15、

16、其中，ζ*是检测者的最小检验错误概率，ε是隐蔽要求值，h是无人机中继的悬停高度，pu是无人机中继处的发射功率，β是参考距离为1m时的无线信道增益，pj是目的节点处干扰信号的发射功率，dw是无人机中继与检测者的水平距离差。

17、进一步的，接收点目的节点处的信道速率cb与无人机中继偷走的信号速率cu的差定义为安全速率cs，并且预先设定一个安全速率阈值rs，当安全速率cs小于设定的阈值rs时，则要求的安全速率未达到，立即中断传输，整个传输的安全速率如下：

18、

19、其中，

20、

21、

22、

23、

24、是用于简化cs所使用的符号，cs是安全速率，cb是目的节点处的接收信道速率，cu是无人机中继偷走的信号速率，pu是无人机中继处的发射功率,pa是源节点处的发射功率，β是参考距离为1m时的无线信道增益，是目的节点处的噪声方差，h是无人机中继的悬停高度，是无人机中继处的噪声方差，db是无人机中继与目的节点的水平距离差，da是无人机中继与源节点的水平距离差，pj是目的节点处干扰信号的发射功率，

25、控制无人机的飞行高度，悬停高度h'的范围为：h∈(0,h')，其中，h'表示满足安全约束条件下无人机的最高悬停高度。

26、进一步的，基于安全约束和隐蔽约束，将系统安全隐蔽速率的优化问题表示为：

27、

28、其中，rb是目的节点处的接收信号速率，ζ*是检测者的最小检验错误概率，ε是隐蔽要求值，pu是无人机中继处的发射功率,β是无人机信道参考距离为1m时的信道增益，pj是目的节点处干扰信号的发射功率，dw是无人机中继与检测者的水平距离差，h是无人机中继的悬停高度，h′是满足安全约束条件时的无人机最高悬停高度，pmax是最大传输功率，

29、使用随机梯度下降求解优化问题，得到的最大安全隐蔽传输速率。

30、本发明还提供一种不可信无人机辅助的无线安全隐蔽通信方法，源节点向目的节点发送秘密信息，所述发送包括第一跳传输和第二跳传输；在第一跳传输中，考虑一个不可信的无人机，在转发消息同时窃取秘密消息，利用目的节点不间断发出干扰信号，通过计算安全约束条件调整无人机的高度；在第二跳传输中，检测者通过检测无人机的发射功率判断传输是否存在，目的节点发出干扰信号干扰检测者和无人机中继；无人机中继悬停高度h'的范围为：h∈(0,h')，其中，h'表示满足安全约束条件下无人机的最高悬停高度，最大安全隐蔽传输速率通过求解优化问题得到：

31、

32、其中，rb是目的节点处的接收信号速率，ζ*是检测者的最小检验错误概率，ε是隐蔽要求值，pu是无人机中继处的发射功率,β是无人机信道参考距离为1m时的信道增益，pj是目的节点处干扰信号的发射功率，dw是无人机中继与检测者的水平距离差，h是无人机中继的悬停高度，h′是满足安全约束条件时的无人机最高悬停高度，pmax是最大传输功率。

33、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明巧妙地使用了协作干扰解决隐蔽通信系统中不可信无人机作为中继节点辅助传输时带来的安全问题，使用隐蔽约束和安全约束来提高系统的性能，能够最大化干扰不可信无人机和检测者，满足系统传输中要求的安全性和隐蔽性。