[发明专利]一种考虑硬件损伤的无人机辅助无线通信的安全性能分析方法

说明书

本发明公开了一种基于硬件损伤的无人机辅助无线通信系统的安全性能分析方法，针对无人机辅助的无线通信系统，建立了该系统在多个随机分布的窃听者的情况下，空地链路经历路径损耗和莱斯衰落的系统模型，根据信道信息的概率密度函数和累积分布函数，给出了合法用户信噪比和窃听用户信噪比的累积分布函数和概率密度函数，并利用高斯切比雪夫求积公式，给出了系统的安全中断概率的闭式表达式，且进一步根据合法用户处和窃听用户处的硬件损伤水平，给出了系统的平均安全速率的闭式表达式和在高信噪比下的渐进表达式；经仿真验证，本发明所提供的性能分析方法可以有效地评估该系统的安全性能。

技术领域：

本发明涉及移动通信系统的性能分析方法，尤其涉及一种考虑硬件损伤的无人机辅助无线通信的安全性能分析方法，其属于移动通信领域。

背景技术：

近年来无人机的制造成本不断降低，有效载荷不断提升，运动轨迹更加可控、机动性更快速，能有效增强现有通信网络的覆盖能力和传输速率，因此将无人机与已有的通信网络相结合已经成为一种研究热点。尽管无人机能提升通信的性能，但是无人机辅助通信技术也面临着许多新的挑战，尤其是其开放性和以视距为主的无线信道的特性使得信息很容易被窃听者截获，无人机辅助通信系统面临不小的安全威胁。因此，对无人机辅助无线通信系统的安全性能的分析很有必要。

安全性能分析一直是安全通信系统研究的重要方面，通过对安全性能指标的分析可以定量地描述系统的安全性能，还能通过数学关系分析影响系统安全性能的关键因素，为系统的实际应用提供了理论的指导。

但已有的关于无人机辅助无线通信系统的性能分析大部分都是在假设射频收发器条件是理想的；但是在实际应用场景中，信号的收发端都会存在硬件损伤；无线通信系统中的硬件损伤一般包括放大器的非线性失真、振荡器的相位噪声、I/Q失衡等，这些失真会导致信号星座图失真，限制接收机获得同步的能力，恶化SNR。

综上，在现有的研究中还没有在研究无人机辅助无线通信系统的安全性能时把收发端的硬件损伤纳入考虑。由于硬件损伤的存在会对系统的安全性能产生较大影响，并且将地面用户的随机分布特性纳入考虑后，用莱斯信道和路径损伤共同表征无人机与地面用户之间的信道，其信道增益的概率密度函数难以求解，所以现有的研究均没有给出分析方法，而本发明解决了这个问题，并通过仿真验证了分析方法的正确性和有效性。

发明内容：

为了更准确地分析无人机辅助的无线通信系统的安全性能，本发明考虑了信号收发端的硬件损伤的影响，完善了信道模型，且分别计算出合法用户和窃听用户处的有效信噪比的累积分布函数和概率密度函数，并提供了一种考虑硬件损伤的无人机辅助无线通信的安全性能分析方法。

本发明所采用的技术方案有：一种考虑硬件损伤的无人机辅助无线通信的安全性能分析方法，步骤如下：

步骤一：建立采用保护区的无人机辅助的安全无线通信的系统模型，该系统由一个无人机基站，一个地面用户和多个地面窃听者构成，飞行的高度为H、在地面的覆盖范围为R的无人机向地面用户发送信号，地面用户在以无人机在地面的投影为圆心，保护区范围r_p为半径的圆形区域内服从均匀分布，窃听用户在无人机的保护区范围r_p之外、覆盖范围R之内的区域服从齐次泊松点过程；