無人機輔助的蜂窩數據流量卸載及保密傳輸方案

張尚偉,劉家佳,許鐵鑫

(1.西北工業大學網絡空間安全學院,710072,西安;2.中國人民解放軍31668部隊,810000,西寧)

受限于頻譜資源、傳輸時延、網絡容量和覆蓋范圍,傳統的地面蜂窩網絡面臨瓶頸,無法滿足爆炸性增長的通信需求[1]。由無人機組成的高/低空通信平臺作為一種新興的無線接入手段,應用涉及軍事、民用、應急通信等多個領域[2],是目前全球通信網絡領域的研究熱點。目前,無人機通信主要應用于兩類典型問題場景:無人機災后應急通信恢復和無人機輔助通信網絡場景。無人機輔助通信網絡主要包括無人機輔助蜂窩網(流量卸載、邊緣計算任務分配)、多層異構網(資源分配、干擾管理)、車聯網(位置優化、路徑規劃)、無線傳感網(路由管理、無線充電)以及物聯網(數據采集、軌跡優化)等[3-4]。其中,針對蜂窩網絡流量過載的5G典型問題場景,通過部署無人機能夠提供有效解決方案,受到廣泛關注。由于空地信道及網絡拓撲隨無人機移動而發生劇烈變化,對移動無人機輔助蜂窩網絡性能的評估面臨巨大挑戰,大部分相關工作較少考慮無人機的移動性[5-7]。Lyu等人在文獻[8]中通過部署無人機沿基站邊緣區域環繞飛行來卸載基站流量,并給出網絡平均吞吐量下界。然而,文獻[8]提出的基于無人機覆蓋區域內用戶終端與無人機通信時間相等的假設,與現實情況相去甚遠,雖能得到網絡基本性能解析式,但無法精確反映該場景下實際可達的網絡基本性能,局限性較大。文獻[9]基于巡航飛行無人機通信網絡提出了一種優化無人機飛行位置的方法來提高能量效率,但該工作只針對無人機處于靜止狀態時的網絡性能進行分析,忽略了無人機移動性對網絡性能和能量效率的影響。

盡管無人機能夠靈活地提供廣覆蓋、大容量、高可靠的通信服務,但在現實應用中空地信道容易遭到監聽而導致信息泄露,面臨著嚴重的安全威脅,針對無人機的安全攻擊事件層出不窮[10]。同時,傳統的加密方法復雜度較高,無法大規模應用到能量和運算能力受限的無人機通信系統中,已經成為限制無人機通信業務廣泛開展的嚴重障礙。作為增強無線通信安全的新手段,物理層安全技術利用物理層信道特性來實現信息的保密傳輸[11],而空地視距(LOS)信道的存在和靈活的移動性使得無人機通信在物理層安全性能方面擁有巨大的潛力[12]。現有關于無人機保密傳輸方案的研究工作大部分關注懸停無人機輔助通信[13]或者實施輔助干擾[14-15]的網絡場景,缺少針對移動無人機輔助通信保密傳輸的研究。

基于上述研究的不足,本文針對無人機輔助卸載蜂窩網絡流量的應用場景,考慮邊緣用戶上行鏈路信道質量較差的問題,通過在基站邊緣部署移動無人機來增強邊緣用戶通信性能和物理層安全容量。首先,在網絡頻譜資源有限的情況下,利用隨機幾何理論建立數學框架解析評估不同信道接入機制下蜂窩網絡上行通信性能;然后,通過引入信道接入時延,對移動無人機輔助蜂窩網絡平均可達速率進行評估和解析,并通過仿真實驗驗證理論結果的準確性和有效性;最后,利用仿真實驗分析討論部署移動無人機輔助蜂窩網絡在物理層安全容量上的提升,探索討論不同的網絡參數設置對保密傳輸性能的影響,并給出網絡最優化參數配置。

1 系統模型

如圖1所示,在半徑為R的圓形區域內,合法用戶服從密度為λL的泊松分布ΦL,與位于該區域中心的基站建立上行通信。由于基站邊緣區域用戶與基站距離較遠導致上行鏈路信道質量較差,加之終端設備發射功率有限,使得基站邊緣用戶通信服務質量較差,因此考慮在基站邊緣區域部署一架巡航飛行無人機作為移動基站,其飛行速度記為V,飛行高度記為h。假設該區域中存在非法竊聽者,且符合密度為λE的泊松分布ΦE,時刻處于被動竊聽狀態。整個網絡可用頻譜帶寬為W,被均勻劃分成K個正交子信道,其中τK個子信道分配給基站用戶(其中τ為子信道分配比例,0≤τ≤1),(1-τ)K個子信道分配給無人機用戶。

圖1 系統模型

根據文獻[16]中的空地鏈路模型,地面用戶到無人機的鏈路類型,如LOS鏈路或非視距(NLOS)鏈路,取決于其到無人機的仰角θ。假設無人機利用多普勒效應補償技術抵消移動產生的多普勒效應,則無人機接收到的信號功率為

(1)

式中:θ0為LOS鏈路仰角閾值;Pt為用戶發射功率;ζ為在參考距離1 m處空地的信道功率增益;αl=2為LOS傳播環境下空地鏈路的路損指數;η為NLOS鏈路附加衰減因子;d=(h2+r2)1/2為用戶到無人機距離;r為無人機到用戶水平距離。

對于地面蜂窩通信,設定地面無線信道為準靜態瑞利衰落信道,此時地面基站和竊聽者接收到合法用戶的信號功率分別表示為

(2)

式中:hb和he分別為相互獨立且服從均值為μ和υ指數分布的瑞利信道衰落系數,且hb服從exp(μ)分布,he服從exp(υ)分布;αn>2為地面無線信道路徑損耗指數;dL為合法用戶與基站之間的距離;dE為竊聽者與合法用戶之間的距離。

2 信道接入機制

由于信道質量對網絡性能和保密傳輸性能影響較大,為確保上行鏈路信道質量較高的合法用戶能夠建立通信,本文使用基于接收信號功率強度的信道接入機制。其中,合法用戶向無人機和基站發送導頻信號來測試信道質量,若無人機或基站接收到的信號強度大于給定閾值β,則建立連接,否則連接中斷;其次,對于無人機上行通信鏈路,鑒于同樣條件下空地LOS信道質量明顯優于NLOS信道,限定處在無人機LOS鏈路區域內的合法用戶能夠與無人機建立上行通信,即為

(3)

按照上述機制,可得基站覆蓋半徑為R范圍內任一合法用戶與基站建立連接概率為[17]

ρb(R)=Pr{Pthbr-αn>β}=

(4)

式中:fr,b(r)=2r/R2為用戶到基站通信距離r的概率密度函數。考慮到無線信號傳播速度遠遠大于無人機飛行速度,按照上述信道接入機制,任一時刻無人機的理論覆蓋半徑為

(5)

式中:h<(Ptζ/β)2/αl;最小值函數min{·}內的前項表示無人機空地通信鏈路的最大覆蓋半徑,后項確保空地信道為LOS鏈路,可以看出覆蓋范圍受到飛行高度影響較大。值得注意的是,地面用戶隨無人機位置的變化而改變,為了描述無人機的移動性對地面覆蓋區域的影響,在前期工作[18]中針對下行通信鏈路的信道接入時延模型可用于本文上行LOS鏈路的分析。具體來說,地面用戶從進入無人機覆蓋范圍內到與無人機成功建立通信需要消耗一定的時間,即為信道接入時延(記為t0),如圖2所示,假設無人機從t1到t2時刻的飛行時間為t0=t2-t1,則其飛行距離為Vt0,在t0時間段內,無人機上行通信實際覆蓋范圍如圖中陰影區域所示。

圖2 無人機上行視距鏈路覆蓋區域

設定無人機巡航軌跡半徑為Rt=R-Ru,給定巡航無人機速度V,可以得到信道接入延遲時間內無人機飛行產生的角度為φ=Vt0/Rt。為了提高資源利用率,無人機根據地面用戶發射功率和基站覆蓋區域半徑靈活調整飛行高度以達到區域全覆蓋,此時基站上行通信覆蓋區域半徑為

(6)

且無人機上行通信實際覆蓋范圍面積為

(7)

3 平均可達速率

本節分別針對部署和未部署無人機的場景展開對比和網絡性能解析,其中未部署無人機場景根據是否使用基于接收信號強度的信道接入機制進一步分成網絡場景1和場景2。

3.1 場景1

場景1為未部署無人機,隨機信道接入機制。該場景中基站將所有可用子信道K隨機分配給用戶,則任一用戶獲得任一信道的概率為

(8)

給定信道噪聲功率N0,可得該場景下任一用戶上行鏈路平均可達速率為

(9)

式中

E[lb(1+RSN,1)]=

(10)

3.2 場景2

場景2為未部署無人機,基于接收信號強度的信道接入機制。基站只與接收到信號功率大于β的用戶建立上行通信,則任一合法用戶與基站建立連接的概率為ρb=ρb(R)。給定基站可用子信道數量K,任一合法用戶被分配到任一可用信道的概率為

(11)

該場景下任一用戶上行鏈路平均可達速率為

(12)

式中

E[lb(1+RSN,2)]=

(13)

進一步可以得到

(14)

3.3 場景3

場景3為部署無人機,基于接收信號強度閾值β的信道接入機制。該場景下任一用戶上行通信鏈路平均可達速率表示為

(15)

式中:τb=(Rb/R)2,τu=S0/(πR2),分別為任一用戶位于基站或者無人機覆蓋范圍內的概率。對于在基站覆蓋范圍內的任一用戶來說,容易得出其上行通信鏈路平均可達速率為

(16)

(17)

使用與式(14)相同的方法可以進一步得到

(18)

對于無人機上行鏈路,任一用戶與無人機建立的上行鏈路平均可達速率表示為

(19)

式中:ξ3,u為給定無人機區域內可用子信道數量(1-τ)K條件下,任一地面用戶獲得任一可用子信道的概率,表示為

(20)

根據文獻[18-19]中的結論,可進一步得到

E[lb(1+RSN,3u)]=

(21)

(22)

(23)

4 安全容量

根據Wyner提出的竊聽模型[20],假設整個區域中的非法竊聽者針對最近的處于通信狀態的合法用戶展開竊聽。在沒有部署無人機的場景中,任一合法用戶到無人機的上行鏈路安全容量可以表示為Csec=[CR-CE]+,其中,[x]+=max{x,0}、CR為合法用戶的信道遍歷容量,CE為竊聽者獲取相應合法用戶信息遍歷容量。當CR

(24)

式中:τb為合法用戶位于基站通信范圍且獲得信道的概率;τu為合法用戶位于無人通信范圍且獲得信道的概率。假設合法和竊聽接收終端處的噪聲功率一致,可得基站覆蓋范圍內合法用戶建立的上行鏈路通信瞬時安全容量為

(25)

而處在邊緣區域的合法用戶與無人機建立的上行鏈路通信瞬時安全容量為

(26)

在該網絡場景下合法用戶發送機密信息被竊聽的概率為

(27)

通過以上表達式可知只有當地面合法用戶信道質量優于竊聽信道質量,才能實現保密傳輸。而信道質量與通信雙方的距離有很大的關系,對于處在基站覆蓋邊緣處的合法用戶,由于其到基站通信鏈路距離過長,因此安全性無法得到保障。在邊緣部署無人機,可以利用無人機到地面用戶之間較好的LOS信道質量來實現數據的保密傳輸。由于針對該場景中竊聽者和合法通信用戶之間距離分布非常復雜,無法得到易于分析的顯式解析式,本文通過仿真實驗來分析無人機輔助的蜂窩網絡在通信安全性上的有效性及相關優勢。

5 仿真實驗

仿真實驗參數設置如下:W=10 MHz,K=30,Pt=251 mW(即24 dBm,為UMTS/3G系統中規定的移動終端最大發射功率),t0=1 s,V=10 m/s,θ0=π/5,αl=2,αn=4,μ=υ=1,ζ=-50 dB,N0=-104 dBm。采用上述參數,使用Matlab進行蒙特卡羅仿真,結果如圖3～圖10所示。

從圖3可以看出,部署無人機的網絡場景中的平均可達速率高于單一基站的場景,當用戶密度較小時,部署無人機網絡場景中上行通信速率較單一基站場景2高出約40%;當用戶密度較大時,雖然場景2中用戶上行通信平均可達速率和部署無人機場景性能趨于一致,但場景2中邊緣用戶服務質量無法保證,用戶公平性較差。在圖4中,隨著子信道分配比例τ不斷增加,基站上行通信范圍內用戶的可用子信道不斷增加,而與無人機通信用戶的可用子信道不斷減少,當τ≈0.65時,整個網絡系統的平均可達速率達到最高,因此針對不同網絡場景參數配置情況,無人機和基站上行通信的頻譜資源存在最優分配方案。

圖3 用戶密度對平均可達速率的影響

圖4 子信道分配比例對平均可達速率的影響

在圖5中,隨著無人機飛行高度h的增加,無人機上行通信速率先增加后降低,基站上行通信速率先保持穩定后逐漸減少,當h≈230 m時,網絡系統平均可達速率達到最大值。這是由于隨著無人機飛行高度的增加,地面用戶與無人機建立LOS鏈路的概率也在逐漸增大,使得無人機上行通信平均可達速率增加,而當無人機高度進一步增高時,其到地面用戶的長距離通信對上行通信造成較大的路徑損耗引起傳輸速率的降低。對于基站通信來說,無人機飛行高度的增加導致基站覆蓋上行鏈路范圍逐漸減少,當基站范圍內用戶數量低于分配的子信道數量時,基站上行通信頻譜效率大大降低,使得平均可達速率顯著降低。

圖5 無人機高度對平均可達速率的影響

圖6顯示信號強度閾值β對平均可達速率的影響。隨著β的增加,對上行鏈路信道的質量要求越來越高,使得距離無人機或者基站距離較近的用戶獲得通信的機會大大增加,使得網絡平均可達速率逐漸增加;當β>-80 dBm時,絕大部分用戶由于信道質量不達標而無法通信,僅有的可以建立上行通信的用戶數量逐漸開始減少并低于可用子信道數量,大大降低了網絡頻譜效率,導致整個網絡性能的下降,β≈-80 dBm為網絡最優配置。

圖6 信號強度閾值β對平均可達速率的影響

在圖7中,隨著λE增加,網絡安全容量顯著降低,可以看出通過部署無人機輔助蜂窩通信在增強網絡安全容量方面有明顯的優勢。圖8顯示子信道分配對不同場景網絡安全容量的影響且存在最優配置,當τ<0.2時場景2的安全容量高于場景3,而隨著τ的不斷增加,場景3中的安全容量逐漸增加并在τ≈0.6時達到最大,隨后逐漸降低,因此需要根據不同場景優化子信道配置方案使整個網絡安全容量達到最優。

圖7 竊聽用戶與合法用戶密度之比對安全容量的影響

圖8 子信道分配比例對安全容量的影響

圖9 無人機高度對安全容量的影響

圖9顯示網絡安全容量隨著無人機飛行高度h的變化情況,當h<150 m時,場景3的安全容量低于場景2,隨著h增加,場景3的安全容量先增加后降低,在h≈250 m時達到最大值,相比場景2高出約70%。這是由于當h非常低時,僅有極少量的用戶處在空地LOS鏈路范圍內,分配給無人機上行通信的子信道沒有得到充分的利用;當h逐漸增加時,用戶數量逐漸增大,使得頻譜效率逐漸提高,安全容量增加;當h非常大時,雖然地空LOS鏈路用戶數量增加,但過高的路徑損耗一方面使得無人機LOS鏈路范圍內能夠成功建立上行通信的用戶數量逐漸降低,另一方面使得合法用戶和無人機之間鏈路容量相較于該合法用戶與竊聽者之間竊聽信道容量的優勢明顯降低,導致安全容量的減少。

圖10給出了閾值β對網絡安全容量的影響,可以看出,部署無人機場景的安全容量要明顯優于單一基站的網絡場景,而場景2和場景3中最優的β配置不同,對于場景2,當β≈-80 dBm時,網絡安全容量達到最大值,對于場景3,最優配置為β≈-75 dBm,這是由于同樣情況下,空地LOS鏈路的信道質量要優于地面無線信道質量,正是由于空地LOS信道較地面竊聽信道有較強的質量優勢,因此通過部署無人機來增強現有蜂窩網絡保密傳輸性能是行之有效的方法之一。

圖10 閾值β對安全容量的影響

6 結 論

本文通過在基站邊緣區域部署移動飛行無人機來卸載基站流量并增強邊緣用戶的通信性能和保密傳輸性能。利用隨機幾何理論工具建立理論框架分析移動無人機輔助蜂窩網絡上行通信基本性能,給出了解析式,并通過仿真實驗分析對比了不同網絡場景下物理層安全容量性能指標,分別給出了λL、λE、h、τ、β關鍵參數與網絡基本性能和安全容量的關系,并給出了優化的h、τ、β參數配置方案。結果表明,通過合理的參數配置,移動無人機不僅能夠在兼具用戶公平性的情況下增強蜂窩網絡上行通信基本性能,還能夠有效提高整個網絡的保密傳輸性能。

本文研究僅針對單個無人機輔助蜂窩網絡的簡單場景,還有較多潛在的方向需要研究:①本文所部署的無人機高度和巡航速度均為固定值,可以進一步擴展到高度和速度均存在變化的貼近現實的應用場景;②針對無人機輔助蜂窩通信網絡安全容量的顯式解析有助于深刻揭示無人機輔助空地網絡的安全特性,是目前該領域內的難點工作;③隨著區域內基站和部署無人機數量的增加,針對大規模空地網絡中頻譜資源分配和無人機部署的優化方案需要進一步深入研究。