基于强化学习的无人机安全通信轨迹在线优化策略

物理层安全是无线通信实现安全通信的一种有效手段,无人机基站在存在地面窃听者的情况下向地面合法用户传输机密信息时,已有研究一般采用离线方法对无人机基站的飞行轨迹进行优化,得到的轨迹是固定的,保密传输缺乏应对通信环境变化的能力.针对该问题,本文研究无人机飞行轨迹的在线优化策略,使机密信息被安全传输的同时实现通信平均保密率最...     

基于RIS-UAV协作的车载通信系统安全传输研究

针对城市复杂的交通环境导致车载通网络信息传输安全性低、数据速率缓慢以及地面中继受限等问题,提出一种可重构智能表面(RIS)辅助无人机(UAV)中继协作的车载通信系统安全传输方案。该方案首先根据系统平均传输速率最大化来设计无人机轨迹优化问题。接着,通过引入松弛变量的序列凸规划交替迭代算法解决无人机轨迹的非凸问题,得到平均速率最大化的UAV飞行轨迹。最后,通过适当调整RIS与窃听用户之间的位置来降低窃听信道容量,改善无线传输环境。数值分析表明,优化无人机轨迹,可以得到最优平均传输速率。在RIS技术辅助下通过合理设置参数,该传输方案能有效提高通信系统的传输速率,同时也能保证安全性能。     

无人机辅助通信的密集无线网络MAC协议

面向无人机辅助下的密集无线网络通信场景,针对地面固定基站传输造成的网络吞吐量受限问题,聚焦无人机覆盖范围内通信网络的性能提升,提出了一种无人机辅助通信的密集无线网络媒体访问控制协议。首先,基于密集无线网络中不同位置通信设备形成的通信异构性,构建了一种新型的无人机辅助密集无线网络通信模型;其次,引入初始竞争窗口系数、子系数及其权值的概念,创新设计了通信节点的初始竞争窗口,分析了无人机移动环境下通信节点的退出概率,提出了一种新型媒体访问控制协议;最后,采用三维马尔可夫模型对协议的归一化饱和吞吐量及访问公平性进行评估,进而确定了一定条件下吞吐量最大化时的初始竞争窗口子系数权值。仿真分析表明,与现有媒体访问控制协议相比,本协议平均归一化饱和吞吐量在基础接入机制下约增长1倍,在RTS/CTS机制下提升约51%,同时,本协议实现了对接入时间短的节点传输性能提升,即可获得较大的吞吐量和较短的时延。     

无人机全双工双向中继的资源及轨迹优化设计

无人机具有按需部署、高移动性和灵活性的优点，基于无人机的全双工双向中继网络能够进一步提升中继的覆盖范围，增强通信性能。为此，考虑利用无人机辅助多对地面用户进行双向中继通信，通过对无人机的轨迹、用户调度和功率分配的联合优化，实现用户对之间的平均最小可达速率最大化，提出了基于块坐标下降和连续凸近似的迭代求解算法。仿真结果表明，所提算法有效地提高了系统性能。     

无人机自组网系统设计与实现

文章描述了一个无人机自组网验证系统.基于802.11b/g实现了无人机机载嵌入式Ad Hoc 模块.设计了一个面向小规模、网络拓朴结构快速变化的Ad Hoc网络距离矢量路由协议.优化了UDP协议,以适应将无线遥控信号在无线自组网环境中传输.实现了基于H.264的视频传输系统和基于离线数字证书的安全通信协议.     

无人机蜂群通信的虚拟大规模MIMO信道估计算法

针对利用无人机蜂群通信实现热点区域覆盖的应用场景,提出了一种无人机蜂群通信中虚拟大规模多输入多输出信道估计算法,包括信道状态信息中导向矢量的波达方向(DOA, Direction Of Arrival)估计算法和子阵间距估计算法。考虑到空地信道状态依赖于地面用户的角域信息,因此先利用辅助用户对无人机方向角进行估计,在此基础上提出了一种基于降秩的DOA估计算法,获取精确的DOA信息。进一步,考虑到UAV动态位置变化导致不同UAV的天线阵列相对位置变化,提出了一种基于优化搜索的子阵间距估计算法,避免了大范围搜索带来计算复杂度高的问题。仿真结果表明,所提DOA和子阵间距估计算法可以提高信道估计精度。     

无人机网络的覆盖及切换性能研究

无人机网络具有按需部署、灵活机动等优势,但传统陆地蜂窝网络的分析方法不再适用.为此,考虑了两层无人机网络中地面用户的移动性,推导了系统覆盖概率、传输速率、边界的长度强度以及用户最大移动速度约束等网络关键性能指标的解析表达式,探究了无人机部署的密度、高度、地面用户移动速度对无人机网络覆盖及切换性能的影响.理论及仿真结果表明,自适应地调整无人机部署的密度和高度能有效提升无人机网络的覆盖及切换性能.     

无人机中继广播通信系统航迹优化方法

为了提高固定翼无人机中继广播通信系统链路传输的连通性,提出中继无人机航迹优化方法．首先分析了无人机中继广播通信系统单用户节点的中断概率近似计算公式,并以此为基础推导出了服务区域内所有用户节点平均中断概率的近似计算公式; 然后基于服务区域内用户节点平均中断概率最小化准则提出了中继无人机的航迹优化方法,并进一步给出了最优航迹下单个用户节点的精确中断概率计算公式;最后通过计算机仿真验证了所提出方法的有效性．     

一种用于无线ATM网络的呼叫允许控制方案

无线异步传输模式(ATM)网络通信系统将在宽带和多媒体个人通信得到广泛应用.提出一种用于无线ATM网络多媒体通信服务的呼叫允许控制(CAC)方案,它采用统计大量用户移动信息来估计未来业务需求和系统可用资源,并根据用户移动信息动态地调整用于潜在切换呼叫的资源预约,能有效利用无线频谱资源,增大系统容量.     

面向无人机数据回传的压缩采样技术:机会与挑战

随着无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)的广泛应用,其与地面接收站实时共享机载传感器数据成为工业界的迫切需求.然而,目前为无人机开放使用的频谱资源稀缺,通信信道带宽非常有限,这就促使人们研究如何在带宽受限条件下实现无人机数据的实时无损回传.作为突破经典奈奎斯特(Nyquist)采样理论的新技术,压缩采样将是解决这类问题的最佳方案.本文通过对比当前无人机通信技术核心参数,揭示现有通信技术标准无法满足无人机数据通信对信道带宽日益迫切的需求,评述无人机数据回传压缩技术,对压缩感知、1-bit压缩采样、相位恢复和矩阵补全技术原理进行回顾.采用压缩感知和矩阵补全技术对实测数据进行验证,结果表明,压缩感知和矩阵补全技术可在带宽不变的情况下,显著降低数据的传输时间.最后提出无人机数据压缩和恢复领域的4个研究发展方向.     

无人机信息采集系统的端到端吞吐量最大化研究

无人机具有按需快速部署、移动性高、可与地面用户建立起高质量的视距通信链路的优点,能在无线通信和物联网中得到重要的应用。本文研究了一个无人机信息采集系统,在该系统中无人机负责收集多个地面传感器的信息,并将信息回传至信息融合中心。为了最大化信息采集系统的端到端吞吐量,制定了一个联合优化传感器的发射功率、可用带宽的分配、无人机的传输功率和飞行轨迹的优化问题。该优化问题需满足最小信息传输量约束、信息−因果约束、平均和峰值传输功率约束、带宽分配约束和无人机机动性约束,是一个难以直接求解的非凸优化问题。为解决这个问题,本文基于块坐标下降法和连续凸优化方法提出了一个高效的交替优化算法,将问题分解为优化功率带宽和优化无人机飞行轨迹两个子问题,并通过引入松弛变量和一阶泰勒展开的方法将每个子问题变成易于求解的凸优化问题,从而进行交替迭代求解。计算机仿真结果显示所提出的优化算法能够权衡数据收集和数据转发这两段链路,显著提高了系统的端到端吞吐量。同时,通过与另外3种基准方案的性能对比,显示了联合优化功率、带宽和飞行轨迹的必要性。     

智能反射面和协作干扰的无人机安全通信算法

为了进一步增强无人机通信系统的保密率,提出了基于智能反射面和协作干扰的无人机安全通信系统。通过利用智能反射面动态地加强回传链路以及通过协作无人机引入人工噪声干扰非法窃听者,从物理层提高无人机通信系统的安全性。考虑源无人机轨迹、干扰无人机轨迹、功率控制和智能反射面相移,以最大化系统的保密率为目标提出联合优化问题。提出了一种交替优化算法,将原问题变为4个子问题,并通过连续凸逼近、半定松弛将原始的非凸问题转换为近似凸性子问题,使其可通过凸优化工具直接求解。仿真结果表明,所提优化算法能够快速收敛,相比于传统的非智能反射面辅助的通信网络,所提算法能显著地提高系统的安全保密率。     

基于BP网络的小型无人机航迹预测

随着人工智能技术、通信技术、网联技术的发展,以及无人机运行成本的降低等,我国民用无人机应用范围及应用领域日益扩展,已在城市物流、线路巡检、地质灾害预测、应急救援、地理测绘、山地运输等民用领域得到广泛应用.由于无人机种类繁多、运行环境复杂,无人机航迹分析及航迹预测已成为目前的研究热点.针对小型无人机运动特性及航迹预测问题...     

DF-UAV中继广播通信系统航迹优化方法

无人机中继通信系统可以为用户提供高质量服务和多种业务辅助,而无人机航迹优化是无人机中继通信系统面临的关键技术问题之一。针对译码转发协议下的无人机中继广播通信系统,研究其航迹优化方法以提高系统链路传输性能。首先,建立了无人机中继通信系统模型,分析给出单用户链路中断概率和系统平均中断概率计算公式,在此基础上提出基于最大用户中断概率最小化准则的中继无人机航迹优化方法,并理论推导出系统的遍历容量精确数学表达式;接着通过计算机仿真分析验证了服务区域半径、最大转弯角、路径损耗因子、发射功率等系统特征参数对中继无人机最优航迹、系统中断性能和系统容量性能的影响,同时对比了相同的优化准则下两种中继转发协议的系统中断性能和容量性能。仿真实验表明,与放大转发协议相比,译码转发协议下的中断性能和容量性能均有明显提升,从而验证了所提航迹优化准则的有效性。     

面向无人机的逐点偏移式卫星导航欺骗干扰方法

针对无人机在失控肇事、干扰航管、窥视窃密、恐怖袭击等方面的危害,本文提出一种基于逐点拉偏式卫星导航欺骗方法,通过重构错误的导航坐标系诱骗目标无人机飞离敏感区域保护地面安全。该方法将整个无人机欺骗过程看作是单步位置欺骗拉偏的时间迭代过程,首先根据无人机的运动学模型以及外部量测信息估算出无人机的真实位置点以及真实控制输入量;然后考虑无人机飞行控制器对欺骗效果的影响,在真实控制输入量中抵消掉预先设置的欺骗控制力矩效果,设计构造虚假卫星信号使得GNSS/INS组合导航模式下的滤波估计无人机位置点仍靠近原始期望目标点,但发生了偏差;最后这种偏差产生的无人机轨迹跟踪控制输入量会导致无人机真实状态点往欺骗目标点偏移,实现单步卫星导航欺骗效果。单步欺骗过程在时间上的迭代运用,可实现无人机位置的逐点偏移式欺骗。仿真结果显示利用逐点偏移式卫星导航欺骗方法能使得目标无人机慢慢偏离原始轨迹而跟踪欺骗轨迹,且组合导航滤波器估计轨迹仍跟踪原始参考轨迹,达到了卫星导航欺骗的目的。本文提出的基于逐点拉偏式卫星导航欺骗干扰技术可用于保障重点区域/人员的低空安全防护。     

基于粒子群算法的无人机航迹规划问题

首先将无人机航迹问题转换为多目标的TSP问题数学模型,建立了航迹规划问题的数学模型.然后将轨迹规划问题转换成一个求最短路径的单目标的有约束是优化问题,针对这类问题的求解,采用了一种新的粒子群算法并利用软件编程求解.最后验证了结果的可行性,同时讨论了结果的稳定性和收敛性.     

能量收集的无线传感器节点能量管理策略

针对能量收集无线传感器网络中传感器节点电池存在存储损耗和容量衰减特性的问题,建立了末梢节点电池存储损耗和容量衰减的通信模型,研究了无线传感器生命周期内吞吐量最大化的问题。将系统优化问题转化为凸优化问题,通过凸优化分析得到与当前能量收集水平、电池能量水平以及信道增益相关的信息传输功率控制策略;提出了适应电池存储损耗和容量衰减的双功率阈值算法,用于优化平均吞吐量;提出了最小化放电空间的电池充放电管理策略抑制电池容量的衰减速度,优化无线传感器的生命周期,并对无线传感器生命周期与电池放电空间进行理论估计。仿真结果表明,在不同电池存储效率、放电空间比例下,本文提出的双功率阈值算法相较于自适应定向注水算法能够通过减少电池的频繁充放电次数,降低收集能量的存储损失,优化了无线传感器的平均吞吐量和生命周期,使生命周期内的吞吐量最大化。     

虚实映射误差条件下数字孪生辅助的无人机网络计算任务卸载及资源自适应优化机制

为了解决动态时变的无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）网络环境下,智能终端设备有限的计算和存储资源不能满足资源密集型任务需求,以及高传输时延和低可靠连接的问题,本文使用数字孪生技术在地面基站（Base Station, BS）构建无人机、智能终端以及无线网络环境的孪生网络模型,以对无人机网络运行状态进行模拟和仿真。进而,基于构建的孪生网络模型设计智能终端设备计算任务卸载机制。在满足智能终端设备计算任务最大容忍延迟的条件下,智能终端设备选择将计算任务全部卸载到无人机,或者在本地进行计算。然后,将计算卸载问题建模为马尔科夫决策过程,建立联合无人机悬停点、计算任务卸载决策、无人机计算资源分配的自适应资源优化模型,实现最大化无人机效用函数的目标。考虑孪生网络模型与真实无人机网络的虚实映射误差,提出近端策略优化算法（Proximal Policy Optimization,PPO）,求解自适应资源优化模型。仿真结果表明,与已有方案对比,所提算法可以有效提高无人机的效用。同时,在适应虚实映射误差方面优于传统深度强化学习算法。