概率视距空地信道下的无人机安全通信优化设计研究

考虑在物理层保障无人机多用户通信系统的信息传输安全,一架无人机与多个地面用户进行通信,存在一个地面窃听者尝试窃取无人机发送给用户的机密信息。研究将无人机与地面节点之间的空地信道建模为更符合实际的概率视距信道,在满足无人机飞行条件约束和离散的用户调度约束下,通过联合设计无人机的三维飞行轨迹和用户调度来最大化用户的最小平均安全速率。为求解该模型下的安全通信优化设计问题,首先将其解耦为三个子问题,然后利用整数松弛和连续凸近似方法分别求解三个子问题,最后利用块坐标下降法求出无人机的三维飞行轨迹;在此基础上,根据飞行过程中得到的瞬时信道状态信息,提出无人机飞行速度和用户调度实时优化算法。该算法将优化问题建模为线性规划问题,并用内点法求解。仿真结果表明,与已有基准算法相比,基于概率视距信道模型优化无人机的飞行轨迹可显著提升系统的安全速率,所提的飞行速度和用户调度实时优化算法可进一步提升安全速率性能。     

无人机辅助的无线传感网络AoI最小化方案研究

针对无线传感器网络中海量数据处理过程中信息新鲜度问题,基于无人机飞行速度、高度、避碰和可靠传输等约束,以系统信息年龄AoI为考核参数提出了一种联合采集点选择、轨迹优化及无人机工作时间权衡的AoI最小化非凸优化方案。以一个多无人机在同频段条件下为多个传感器节点传输能量并收集传感数据为场景,对多架无人机在三维空间中的信息采集过程进行模拟验证。通过SCA优化算法将建立的非凸问题转化为一个凸优化问题进行求解,最终得到无人机飞行过程中的最优采集点、最优飞行策略及能量输送时间与信息传输时间分配权衡指数,使系统性能达到最优,实验结果表明,所提方案求得的最优解可有效实现系统AoI最小化。     

一种高吞吐量的无人机轨迹规划方法

无人机由于具有完全可控的移动性以及快速部署等优点,成为无线通信领域的研究热点。研究一种无人机支持的多播信道,利用无人机作为移动发射机向多个地面节点发送信息,在无人机的有限任务通信时间内,设计一种连续圆飞行轨迹方法。面向随机分布的多个地面节点,设定距离阈值对地面节点进行分组,通过求解新型旅行商问题确定无人机对各个分组的通信顺序,在满足无人机与地面节点通信覆盖需求的情况下,对圆心、无人机的飞行速度以及飞行半径进行求解,确定各个分组的圆形飞行轨迹,进而生成连续圆飞行轨迹。为实现吞吐量最大化目标,基于连续圆轨迹,在轨迹、功率一定情况下进行功率和轨迹优化,并通过交替联合优化无人机轨迹和功率以提高无人机对地通信系统整体性能。仿真结果表明,与基准方案相比,该方法系统吞吐量明显提高。     

中继协同无人机辅助的认知无线电网络安全通信

针对中继协同无人机（UAV）辅助的无线通信网络,提出一种基于认知无线电网络（CRN）的物理层安全通信方案。利用二次发射机协同解码转发中继向目的接收机发送机密消息,将UAV用作移动干扰器发送干扰噪声,以降低窃听者的解码能力。在不影响主用户通信的前提下,通过联合优化UAV的飞行轨迹和发射功率提高系统的平均保密率,采用基于连续凸逼近的算法求解近似凸规划的保密率最大化问题。仿真结果表明,相较于优化功率和优化轨迹这两种传统方案,该方案能够进一步提高CRN系统通信的安全性。     

具有回程约束的多无人机基站的带宽功率与轨迹优化

考虑一个多无人机组网的无线通信系统,多架无人机搭载的空中基站为覆盖区域内的多组用户提供服务。在网络中,由于频谱资源受限,基站的回程链路与用户的数据链路共享相同的频谱,为了合理利用频谱资源并提高用户的通信性能,以达到所有地面用户的最小平均速率最大化的目的,联合优化回程链路和数据链路的带宽、功率以及无人机基站的飞行轨迹,这种联合优化受限于无人机的移动性、频谱带宽以及传输功率。联合优化涉及的问题是非凸的,并且难以得到最优解,因此提出一种高效算法获取高性能的次优解。仿真结果表明,所提出的联合优化算法实现的最小用户速率明显高于基准方案。     

考虑无人机飞行时间的能耗与数据量联合优化

在无线传感网络中运用无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）通信进行数据采集是一项有价值的技术。针对UAV在有限时间内的数据采集任务，提出了一种考虑系统数据量、节点传输能耗和UAV飞行能耗的联合优化方案。该方案的决策空间包括UAV轨迹与传输调度，复杂度较高。由于联合优化是NP难问题，基于决策空间降维，将优化过程分为初始轨迹优化和二次轨迹优化两步。针对初始轨迹优化，提出基于贪心算法和禁忌搜索算法的优化方案，实现节点选择并得到UAV初始轨迹；针对二次轨迹优化，运用离散化方法转换原问题，采用逐次凸逼近算法进行优化，得到其有效次优解。仿真结果表明，所提优化方案能够在满足时间约束的前提下，提高UAV采集的数据量，并降低UAV和节点的能耗。     

存在多个窃听节点的WSNs可达保密速率研究

当无线传感器网络中存在多个非法窃听节点时,合法节点间通信的安全性就面临着严重威胁;针对此问题,在发送节点不知道其到各窃听节点准确信道状态信息的情况下,优化出可使节点间可达保密速率最大化的最优输入协方差矩阵;此优化问题是一个很难直接求解的非凸优化问题,文中通过一些等价变换将此非凸优化问题转变成一个仅由凸约束集构成的可行性问题,并利用二分法设计了计算最大可达保密速率的迭代算法;最后针对窃听节点的数目以及信道误差的大小对可达保密速率的影响进行了仿真,仿真结果验证了算法的有效性和理论分析的正确性。     

基于低秩矩阵恢复的移动WSN节点轨迹拟合研究

对传感节点的位置和轨迹信息进行更新和管理,是传感节点可移动的无线传感器网络系统的主要特征。传感节点的位置和轨迹信息频繁传输会增加网络的能量消耗。为了降低信息的传输量,对信息进行采样,并通过拟合传感器节点的移动轨迹恢复原始轨迹信息;为了进一步提高拟合准确度,将压缩感知理论应用于轨迹拟合中,该算法对非凸最优化问题进行松弛,将矩阵的秩松弛到矩阵的Frobenius范数,并转化为非约束优化问题,然后采用最小二乘法对目标函数进行迭代以求得最优解。仿真实验结果表明,算法能够较好地拟合传感节点的移动轨迹,能显著减少传感节点位置和轨迹信息的发送量。     

基于边界点拟合的无线传感网络干扰约束资源分配算法

无线传感网络干扰约束会影响资源传输过程的网络运行稳定性与通信效率,为此提出一种基于边界点拟合的无线传感网络干扰约束资源分配算法。利用信号传输特征获得传感器节点信号功率,分析节点实际方位和检测值的差异。利用差异值创建损失函数,通过加权最小二乘法计算边界点补偿距离,定位干扰源位置。明确无线传感网络用户信道容量,计算用户接收机中各单位干扰能量传输的比特值,构建干扰约束模型。利用二维离散Henon映射系统初始化原始个体矩阵,使用并行遗传算法完成节点自适应迁移,实现资源分配全局优化。仿真结果表明,所提方法对干扰约束资源分配的平均节点度为2.15,资源分配误码率平均值为0.2%,在实验次数为500时资源分配耗时为1.4 s。     

高效节能的无人机多用户携能传输优化研究

无人机携能传输技术可用于提高物联网能效,为能量受限的物联网地面设备补充能量,以支持其完成不中断信息接收任务。面对无人机携能有限的现实条件和其能耗效率提升的需求,本文针对高效节能的无人机-地面通信优化问题进行了研究,综合考虑无人机飞行耗能和地面设备能源需求,对无人机发射功率和功率分割比进行联合优化,并对无人机轨迹和地面设备唤醒时间分配进行设计。研究的节能最大化问题是一个非凸的、分式和混合整数规划问题。针对此问题,本文提出一种基于连续凸逼近（Successive convex approximation, SCA）和经典Dinkelbach方法的交替迭代优化算法。最后仿真结果验证了该算法的有效性和优越性。     

一种基于椭圆曲线的轻量级身份认证及密钥协商方案

无证书公钥密码体制不存在用户密钥托管问题,也不需要使用证书,可以解决传统公钥密码体制在应用过程中耗时耗资源都比较多的问题.基于素域上的椭圆曲线加法群,提出了一个无证书的身份认证及密钥协商方案,其主要包括认证协议与核心算法.该方案消除了双线性对运算,完成双向认证只需要两次通信,提高了认证和密钥产生的效率,效率比已有协议提高了至少10％;充分利用椭圆曲线上的点加运算,加快了计算速度,在不考虑网络通信耗时的情况下双向认证及产生共享密钥只需要20ms左右.同时该方案能满足已知会话密钥的通信安全、主密钥的前向保密性、抗密钥泄露后的伪装攻击等安全属性.该方案尤其适合于不活跃网络对象之间的安全通信.     

无线传感器网络节点基于遗传算法的充电路径规划

无线传感器网络应用越来越广泛,为了解决传感器节点的能量问题,将无线充电技术应用到传感器网络中.使用无人机为传感器节点进行无线充电,但是无人机的电池容量有限,合理的规划能够让无人机以最小的充电代价获得最大的网络效用.以最小化无人机能耗为优化目标,对无人机能量消耗进行分析,将优化目标简化成最小化路径距离,并使用遗传算法对无...     

SWIPT网络中保障物理层安全的保密能量效率优化

针对下行多用户携能通信网络中具有非线性特征的能量收集过程,提出了一种使用连续凸逼近方法的能量收集方案.该方案考虑授权用户对信息的安全性要求,构造了具有最大化保密能量效率的优化问题,联合优化了多用户的保密速率与网络能耗.为求解该多变量耦合的非凸优化问题,采用泰勒级数转换非凸函数,在连续凸逼近和Dinkelbach理论框架内,设计了满足最大保密能量效率要求的资源分配算法,获得了授权用户所需的最小输入功率.仿真实验的结果验证了该算法在最优化系统保密能量效率上的有效性.为多输入多输出或无法获得完整信道状态信息等更真实无线携能通信网络中通信安全及能量效率的研究提供了依据.     

基于ZigBee技术的葡萄园无线监测节点的研究与设计

针对解决葡萄园环境参数的无线监测问题,论文提出了一套无线实时监测葡萄园生态环境的方案,设计了一种能够实时采集、传输葡萄园环境参数采集系统.该系统基于无线传感器网络技术,采用CC2530芯片为基础设计,传感器节点上接有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器以及二氧化碳浓度传感器,通过这些传感器采集葡萄园环境参数.传感器节点将采集的环境参数经无线方式传给采集节点,采集节点通过串口将数据传输到PC机的数据库中,实现了葡萄园环境参数的无线实时监测.测试证明,该系统具有功耗低、传输实时数据、可靠性高等优点,能够地满足葡萄园环境参数监测的应用要求.     

无线传感器网络密钥预分配与动态分配策略

为了实现无线传感器网络中的安全通讯,需要对传感器结点间传递的信息进行加密。由于受每个传感器结点自身资源的限制,传统网络中使用的密钥分配策略,并不适用于无线传感器网络。文章提出了一种基于结点位置对密钥进行预分配和动态分配相结合的密钥分配策略,通过构造一棵密钥管理树实现了分布式和集中式密钥管理的结合。应用这一策略构建的传感器网络其安全性和连通性有明显提高。     

无人机辅助无线能量收集雾计算网络优化方法

研究了无人机雾辅助无线能量收集网络,其中无人机（unmanned aerial vehicle,简称UAV）作为可以移动的无线能量供应源和雾服务器,传感器设备可利用从UAV信号中所采集的能量完成本地计算任务或将计算任务卸载给UAV进行计算.系统目标是通过联合优化任务卸载调度,计算资源的分配和无人机飞行轨迹,在预定时间内完成给定计算任务和能量收集需求的前提下,最小化无人机的总能量消耗.为此,建立了多变量联合优化问题.由于该问题非凸,提出了一种基于连续凸近似（successive convex approximation,简称SCA）的有效求解方法.仿真结果表明,利用该联合优化方法可以大大降低无人机能耗,其中,通过轨迹优化对UAV能耗的降低效果最为明显.另外,实验结果发现：给定任务完成时间越长,无人机的轨迹越长,随着传感器设备能量收集阈值的升高或能量收集效率的降低,无人机轨迹向传感器偏移得越明显.与传感器均匀分布相比,当传感器位置全部分布在某一侧时,无人机轨迹会向其所在方向偏移.