一种概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信方法及系统

本发明属于无线通信，具体涉及一种概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信方法及系统。

背景技术：

1、随着无线网络技术的迅猛发展，现代通信技术尤其是无线通信系统正呈现快速发展的趋势。无线通信技术涵盖了从信号生成到接收的整个过程，包括信号的调制、发射、传播、接收、解调和解码等环节，有效满足了个人通信和信息获取的需求。但是由于无线通信传输的广播特性和无线通信环境的复杂性等，通信中的信息容易受到恶意窃听、伪装和篡改等安全威胁，在通信隐蔽性和可靠性等方面都面临着巨大的挑战。

2、针对无线通信的安全性问题，现有的解决方案主要是依赖应用层的加密封装机制，通过对秘密信息进行加密的方式来实现安全性，但其在隐藏通信本身的问题上和计算复杂性上都面临着考验。为此，作为一种补充解决方案，物理层安全技术不需要对数据进行加密就可以获得有效的安全信道，尤其是隐蔽通信技术，可以做到防止恶意第三方对无线传输过程的监听。

3、隐蔽通信也称作低概率检测通信，它允许一方以不违反系统安全策略的方式将信息传递给另一方且防止通信信号被恶意窃听者发现。最常见的隐蔽无线通信系统是三节点模型，通常包括三个角色，分别是源节点、目的节点和检测者，他们之间的关系如下图所示：

4、如图1所示，源节点要在防止检测者被动检测的前提下，将秘密信息传输给目的节点。将上述模型进行扩展，可以添加中继节点和干扰节点等角色辅助传输。现有的关于对隐蔽通信技术的研究，主要集中在直接传输和基于协作的传输两个方面。直接传输就如同我们上述展示的模型，源节点直接将秘密信息发送给目的节点；基于协作的传输是指存在中继节点的援助下，源节点间接地将秘密信息发送给目的节点，其中中继节点可以有一个或多个，中继器的选择和使用数目的不同会导致不同的性能结果。

5、值得注意的是，为了保证隐蔽通信的正的速率，目前的隐蔽通信研究利用信道信息的不确定性、噪声的不确定性或者干扰信号的不确定性等因素，降低了检测者的检测性能，从而极大地提高了通信系统的隐蔽性。其中，干扰信号的使用不仅会对合法的通信过程造成影响，持续性的干扰还会浪费我们的资源。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信方法，针对现有无线隐蔽通信场景的多样性，使用一种概率性干扰的方案，并利用友好的无人机中继进行隐蔽通信，不仅减弱了对合法通信过程的干扰，也减少了资源浪费。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信方法，通信系统中有源节点、友好的无人机中继器、目的节点和检测者，源节点在无人机中继器的协助下将秘密信息间接发送给目的节点，检测者被动检测此通信过程，源节点使用变化的功率发送可变噪声用以混淆检测者的检测，实现隐蔽传输；包括以下步骤：

3、构建所述通信系统的传输模型和通信过程；

4、根据所述传输模型和通信过程得到uav收到的信号、uav的转发信号以及转发放大系数；

5、信号转发过程中检测者通过分析uav的发射信号判断uav是否有信号转发；检测者根据收到的信号进行二进制假设检验，根据奈曼-皮尔逊最优决策规则得到willie的两种检测错误概率表达式；

6、基于所述信息传输过程得到检测者的检测错误概率表达式，在满足隐蔽约束条件下目的节点能够获得的有效隐蔽速率，构建优化问题，解算所述优化问题得到最大化的隐蔽速率。

7、进一步的，uav收到的信号为：

8、

9、uav的转发信号为：

10、xu(i)＝g[yu(i)]

11、转发放大系数为：

12、

13、其中，δ＝0表示alice未发送噪声信号xj(i)，而δ＝1与之相反，且其概率为p(δ＝1)＝ρ、p(δ＝0)＝1-ρ。

14、进一步的，源节点发送的噪声信号的发射功率pj在区间[0,pjmax]内遵循连续均匀分布，概率密度函数如下：

15、

16、其中，fpj(x)是源节点噪声信号发射功率pj的概率密度函数，pjmax是pj的最大值。

17、进一步的，检测者根据收到的信号进行二进制假设检验时，检测者有两种可选的假说h0和h1得到检测者的接收信号，h0是零假设，表示检测者认为源节点并未发送信号，h1是备择假设，h1表明检测者认为源节点发送了信号；则willie的接收信号如下：

18、

19、willie采用比率检测器来判断alice的传输行为，在每个时段，willie的平均接收功率为：

20、

21、得到willie的决策规则：

22、

23、其中，τ是willie选择的检测阈值，d0和d1分别表示willie在假设h0和h1成立的情况下所做出的决定。

24、进一步的，willie总的检验错误概率分两种情况：当τ1＞τ2，即|haw|2≥κ时，其中k的值为willie总的检验错误概率如下：

25、

26、分析上式可知，willie处最优的检测阈值τ*＝τ2，相应的最小检验错误概率如下：

27、

28、当τ1＜τ2，即|haw|2＜κ时，willie总的检验错误概率如下：

29、

30、同样分析上式可知，willie处最优的检测阈值τ*＝τ2，相应的最小检验错误概率为0。

31、进一步的，willie处的最优检测阈值和最小检验错误概率表达式分别如下：

32、

33、

34、继而，willie处的平均最小检验错误概率如下：

35、

36、其中，指的是willie处的平均最小检测错误概率，ρ是alice处噪声信号的发射概率，κ的值是其中pu是无人机的转发功率，β是参考距离为1m时的无线信道增益值，pjmax是alice发射噪声信号的最大发射功率，dw＝||lu-lw||代表无人机与willie之间水平位置的差值，h是指无人机的悬停高度，f|haw|2(x)是alice与willie之间信道增益|haw|2所服从的概率密度函数。

37、进一步的，系统隐蔽速率的优化问题表示为：

38、maximize

39、

40、ps，pu，pj∈(0，pjmax)，

41、ε∈(0，1)，

42、o≤ρ≤1.

43、其中，cb是bob处最终能够获得的隐蔽速率，指的是willie处的平均最小检测错误概率，ε为系统隐蔽要求，ps、pj分别是alice发射秘密信号和干扰信号的功率，而pu是无人机的转发功率，ρ是alice处干扰信号发射的概率。

44、进一步的，解算所述优化问题得到最大化的隐蔽速率包括：

45、对各个参数进行初始化，设置参数进行迭代计算；

46、具体的迭代过程包括两个循环嵌套：第一个外层循环调整发射功率ps，每次循环增加0.01w，内层循环累计迭代次数，并且计算最小错误率，其中嵌套条件判断：如果最小错误率满足隐蔽传输条件，则保存相对应的次数以及发射功率ps(t)，即得出最优传输功率

47、结合隐蔽传输速率和最优传输功率计算得到最优隐蔽传输速率。

48、本发明还提供一种概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信系统，包括源节点、友好的无人机中继器、目的节点和检测者，源节点在无人机中继器的协助下，将秘密信息间接发送给目的节点，同时，源节点以变化的功率发送可变的人工噪声，混淆检测者的检测，实现通信的隐蔽性；采用上述概率性干扰的无人机辅助无线隐蔽通信方法进行通信。

49、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明灵活设计了源节点的功能，让其发送概率性干扰来混淆检测者的检测，用来援助秘密信息的传输，从而通过隐蔽性能约束来提高系统性能，最大化我们所能获得的最终隐蔽速率；

50、考虑了一种在无人机的辅助下具有概率性干扰的通信系统，并在此系统下应用了一个新的无线隐蔽通信方案。该方案利用概率性方式发送功率可变的人工噪声来对抗检测者的检测，在确保隐蔽性的前提下，有效地提高了系统的整体性能。