馬勇 鮮鵬飛

【摘 要】無(wú)人機(jī)具有靈活部署和視距信道連接的特點(diǎn)，因此經(jīng)常應(yīng)用于無(wú)線通信。無(wú)人機(jī)不僅可以作為無(wú)線中繼將基站發(fā)送的信息傳輸給用戶，還可以作為空中基站直接發(fā)送信息給用戶。當(dāng)存在竊聽者時(shí)，會(huì)對(duì)無(wú)線通信的安全性造成影響。研究者們提出一種物理層的設(shè)計(jì)方案，使得目標(biāo)點(diǎn)接收到的安全速率最大。當(dāng)存在干擾時(shí)也可以通過(guò)物理層的設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的安全性能。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信;竊聽者;物理層;干擾

一、無(wú)人機(jī)在無(wú)線通信的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)作為新型通信工具，憑借其靈活部署，覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于5G通信場(chǎng)景中，在無(wú)線通信中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。無(wú)人機(jī)在無(wú)線通信中的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)基站，可以覆蓋更廣的通信范圍，另一方面無(wú)人機(jī)作為通信中繼，在地面基站和用戶之間承擔(dān)著傳輸信息的作用。除此之外，隨著通信環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)人機(jī)的部署和資源分配優(yōu)化逐漸成為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

2016年，曾勇等人提出了物理層的設(shè)計(jì)方法提高系統(tǒng)的通信性能。將無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)中繼，將信息從基站傳輸?shù)降孛嬗脩?，通過(guò)優(yōu)化無(wú)人機(jī)的飛行軌跡和功率分配，提高目標(biāo)用戶的吞吐量，但是由于優(yōu)化問(wèn)題非凸不能直接求解，因此他們基于連續(xù)凸優(yōu)化技術(shù)提出了交替迭代算法求解最優(yōu)解，得到了魯棒的設(shè)計(jì)方案。2017年有研究者不僅考慮吞吐量而且考慮無(wú)人機(jī)的能量消耗，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)速度和位置的優(yōu)化提出了一種提高能量效率的設(shè)計(jì)方案。2018年有研究者提出了采用多跳無(wú)人機(jī)中繼解決中繼距離過(guò)短的問(wèn)題，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化多個(gè)無(wú)人機(jī)的軌跡和功率分配，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高效信息傳輸，同樣也是采用連續(xù)凸優(yōu)化和交替迭代求解優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。當(dāng)存在多個(gè)無(wú)人機(jī)中繼和多個(gè)用戶時(shí)，有研究者提出了一種無(wú)人機(jī)協(xié)同感知和發(fā)送協(xié)議，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化信道分配和無(wú)人機(jī)軌跡最大化傳輸速率。

此外，無(wú)人機(jī)還可以作為空中基站。2017年有研究者將多無(wú)人機(jī)作為空中基站，收集地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，提出了聯(lián)合優(yōu)化無(wú)人機(jī)部署、無(wú)人機(jī)與設(shè)備的調(diào)度選擇和功率分配的框架實(shí)現(xiàn)可靠的上行通信。2019年有研究者提出了離線方案與在線方案相結(jié)合的設(shè)計(jì)，能夠自適應(yīng)地調(diào)整無(wú)人機(jī)的速度和無(wú)人機(jī)與用戶的調(diào)度方案。2020年有研究者利用深度學(xué)習(xí)的方法求解優(yōu)化問(wèn)題，將每個(gè)無(wú)人機(jī)視為一個(gè)智能代理，通過(guò)訓(xùn)練做出決策，當(dāng)存在多個(gè)無(wú)人機(jī)時(shí)，構(gòu)建深度Q學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)訓(xùn)練多個(gè)無(wú)人機(jī)做出決策。

二、無(wú)人機(jī)安全通信的研究

2017年有研究者考慮在中繼通信系統(tǒng)中存在竊聽者，由于竊聽者會(huì)竊聽發(fā)送端發(fā)送的信息，因此接收端的安全接收速率會(huì)降低。通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的軌跡和功率分配，使竊聽者竊聽的信息減少，提高系統(tǒng)的安全性能。他們基于凹差分算法提出了交替迭代算法解決這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，也有研究者提出了基于塊坐標(biāo)下降和逐次凸優(yōu)化的迭代的算法。當(dāng)竊聽者為全雙工竊聽器即同時(shí)竊聽信號(hào)以及發(fā)送干擾時(shí)，研究者通過(guò)優(yōu)化發(fā)送端的功率分配系數(shù)最小化保密中斷概率。2019年有研究者分別研究了竊聽者對(duì)空對(duì)地信道和地對(duì)空信道的影響，提出了基于塊坐標(biāo)下降和連續(xù)凸優(yōu)化的優(yōu)化方案最大化兩種信道的保密速率。

2018年有研究者為了減少竊聽者的影響，提出在系統(tǒng)中加入?yún)f(xié)作友好干擾無(wú)人機(jī)，它發(fā)送干擾信號(hào)干擾竊聽者，同時(shí)也會(huì)對(duì)合法通信造成影響，他們通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化源無(wú)人機(jī)和干擾無(wú)人機(jī)的飛行軌跡和資源分配來(lái)提高接收端的安全接收速率，提出了基于連續(xù)凸優(yōu)化的迭代算法解決該優(yōu)化問(wèn)題。還有研究者使用截獲概率安全域作為衡量指標(biāo)，在此區(qū)域內(nèi)安全接收概率大于竊聽截獲概率。同時(shí)，也有研究者綜合考慮了保密速率和能量消耗之間的關(guān)系并且提出了折衷方案。為了更符合實(shí)際情況，還有研究者考慮存在多個(gè)竊聽者且他們的位置信息是不精確的，他們基于連續(xù)凸優(yōu)化和S-過(guò)程提出聯(lián)合優(yōu)化軌跡和資源分配方案并且得到了魯棒性能。

三、結(jié)論

無(wú)人機(jī)作為無(wú)線通信中的重要工具，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的部署以及資源分配，有效提高通信系統(tǒng)的性能。在無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)中，研究者考慮越來(lái)越復(fù)雜的通信場(chǎng)景，即多無(wú)人機(jī)、多用戶和更加復(fù)雜的信道模型。在安全通信中，加入?yún)f(xié)作干擾無(wú)人機(jī)是較為通用的方案，但由于實(shí)際竊聽者的位置是未知的，因此需要更加可靠的檢測(cè)竊聽者的手段降低竊聽者的影響。對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題的求解，除了基于連續(xù)凸優(yōu)化和塊坐標(biāo)下降算法之外，深度學(xué)習(xí)的方法也逐漸應(yīng)用于求解優(yōu)化問(wèn)題。未來(lái)的研究要基于更加實(shí)際的通信場(chǎng)景，設(shè)計(jì)更加有效可靠的算法解決優(yōu)化問(wèn)題，提高系統(tǒng)的通信性能。

【參考文獻(xiàn)】

1.Y. Zeng， R. Zhang and T. J. Lim， "Throughput Maximization for UAV-Enabled Mobile Relaying Systems，" in？IEEE Transactions on Communications， vol. 64， no. 12， pp. 4983-4996， Dec. 2016.

2.Q. Wang， Z. Chen， W. Mei and J. Fang， "Improving Physical Layer Security Using UAV-Enabled Mobile Relaying，" in IEEE Wireless Communications Letters， vol. 6， no. 3， pp. 310-313， June 2017.

3.G. Zhang， H. Yan， Y. Zeng， M. Cui and Y. Liu， "Trajectory Optimization and Power Allocation for Multi-Hop UAV Relaying Communications，" in？IEEE Access， vol. 6， pp. 48566-48576， 2018.

4.M. Cui， G. Zhang， Q. Wu and D. W. K. Ng， "Robust Trajectory and Transmit Power Design for Secure UAV Communications，" in？IEEE Transactions on Vehicular Technology， vol. 67， no. 9， pp. 9042-9046， Sept. 2018.

5.A. Li， Q. Wu and R. Zhang， "UAV-Enabled Cooperative Jamming for Improving Secrecy of Ground Wiretap Channel，" in？IEEE Wireless Communications Letters， vol. 8， no. 1， pp. 181-184， Feb. 2019.

6.C. Zhong， J. Yao and J. Xu， "Secure UAV Communication With Cooperative Jamming and Trajectory Control，" in？IEEE Communications Letters， vol. 23， no. 2， pp. 286-289， Feb. 2019.