一种隐蔽通信波形设计方法

本发明属于无线通信领域，涉及认知无人机网络中的基站与无人机协作波束成型、物理层安全及隐蔽通信。

背景技术：

1、认知无线电网络利用认知能力，如感知、推理和学习，智能地管理和优化无线频谱、信道和资源，以满足用户的动态通信需求。在认知无线电网络中，次用户可以共享授权频段，而不会降低主用户的性能。

2、近年来，无人机在通信、农业和航空摄影等各个行业得到了越来越广泛的应用。由于其机动性、灵活性和强直视链路，无人机可以被潜在地用于优化认知无线电网络的性能。在认知无人机网络中，无人机可以感知主网络的频谱使用情况，并与次用户进行通信。无人机可以通过资源分配和轨迹优化提高次用户的通信性能，同时满足主用户的要求。

3、同时，无人机通信由于其信道的开放性，面临严重的信息安全挑战。大量的研究投入到提高物理层的安全性，主要分为两个方向：物理层安全和隐蔽通信。物理层安全的目标是保护传输信息不被窃听。然而，在某些场景中，仅仅确保通信内容安全是不够的。例如，一旦通信行为被检测到，不仅位置会被暴露，通信链路也可能被攻击，这在医疗、公共安全和军事情况下可能是致命的。隐蔽通信专注于隐藏通信的存在，以处理这个问题。大多数现有研究分别考虑物理层安全和隐蔽通信。然而，在实际场景中，检测和窃听可能同时发生。受到上述讨论的启发，我们在本发明给出了在认知无人机网络中同时保障物理层安全和隐蔽通信的波束成型算法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、针对无人机认知网络中通信安全面临威胁的问题，本发明提供一种隐蔽通信波形设计方法。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种隐蔽通信波形设计方法，其特征在于步骤如下：

5、步骤1：设定系统参数：1个基站，1个主用户，1架无人机，1个窃听者，1个监视者，k个次用户；基站装备nb根天线，无人机装备nx×ny根天线的均匀面阵，nx为面阵列数，ny为面阵行数；每个节点在三维坐标系的水平坐标分别为qb＝[xb,yb]t，qp＝[xp,yp]t，qe＝[xe,ye]t，qk＝[xk,yk]t，qw＝[xw,yw]t和qu＝[xu,yu]t，其中下标b,p,e,k,w,u分别表示基站、主用户、窃听者、第k个次用户监视者和无人机，坐标向量中的第一个和第二个元素分别表示横坐标和纵坐标，除了无人机的高度为h，其余节点均位于地面高度为0；无人机最大发射功率为pmax，各个用户接收噪声功率σ2，主用户信干噪比要求为γp，安全速率要求rth，隐蔽要求为δ；

6、步骤2：根据初始化参数，计算中间变量；基站下行信道为瑞利衰落信道，基站与节点间的信道系数为其中表示大尺度衰落，β0＝-40db表示每米的功率衰减，dbx为基站与节点x间的距离，bx是服从单位复高斯分布且维度为nb×1的随机列向量；无人机与节点x的信道系数为其中lux与lbx相似，为无人机到节点x的导向矢量，表示为其中，和分别表示无人机到节点x的俯仰角和方位角；

7、步骤3：初始化迭代次数i＝0，二分搜索区间为收敛门限ε；

8、步骤4：更新i←i+1；

9、步骤5：计算

10、步骤6：根据γ(i)，利用优化算法工具包计算下述关于求解基站与无人机的波束成型向量wp和wk的优化问题是否可解：

11、

12、其中，上述约束由上至下分别表示：隐蔽性约束，安全性约束，主用户信干噪比约束，次用户信干噪比约束，总发射功率约束；

13、步骤7：如果可解，更新如果不可解，更新

14、步骤8：如果执行下一步；否则，返回步骤4；

15、步骤9：对最后一次迭代中求解得到的wp和wk，做特征分解，特征分解后最大的特征值所对应的特征向量即为最终所求基站与无人机的波束成型向量wp和wk，

16、优选地，步骤6中优化算法工具包采用matlab中的cvx。

17、一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

18、一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

19、本发明的有益效果在于：

20、本发明提供的一种隐蔽通信波形设计方法，针对无人机认知网络中通信安全面临威胁的问题，通过联合波束成型向量设计，同时实现了物理层安全和隐蔽通信。物理层安全与隐蔽通信存在矛盾，物理层安全需要大功率的人工噪声用于干扰窃听者，而隐蔽通信需要传输信号功率足够小以使自身难以被检测。与已有的发明相比，本发明首次同时考虑了无人机认知网络中的物理层安全和隐蔽通信的场景，考虑到不同次用户间的公平性问题，最大化了不同次用户的最小信干噪比，同时满足了安全和隐蔽要求。

技术特征：

1.一种隐蔽通信波形设计方法，其特征在于步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种隐蔽通信波形设计方法，其特征在于，其特征在于：步骤6中优化算法工具包采用matlab中的cvx。

3.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种隐蔽通信波形设计方法，属于无线通信领域。针对无人机认知网络中通信安全面临威胁的问题，通过联合波束成型向量设计，同时实现了物理层安全和隐蔽通信。物理层安全与隐蔽通信存在矛盾，物理层安全需要大功率的人工噪声用于干扰窃听者，而隐蔽通信需要传输信号功率足够小以使自身难以被检测。与已有的发明相比，本发明首次同时考虑了无人机认知网络中的物理层安全和隐蔽通信的场景，考虑到不同次用户间的公平性问题，最大化了不同次用户的最小信干噪比，同时满足了安全和隐蔽要求。

技术研发人员：王伶,段正祥,杨欣,张兆林,许茜,王大伟
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24