行业动态 | 面向低空安全的MIMO蜂窝网络无人机通信与反制技术
近日，由北京理工大学，中国铁塔集团，南洋理工大学等机构的研究团队提出了利用现有基站对同频段非授权无人机的干扰方案。该项研究旨在通过现有广泛部署的基站实现对空域的有效保护，降低对专用无人机干扰设备的需求。研究成果《Unauthorized UAV Countermeasure for low-Altitude Economy: Joint Communications and amming based on MIMO Cellular Systems》已发表在IEEE Internet of Things Journal (影响因子: 8.2)，第一作者为实验室博士生李卓然。
1. 研究背景和动机 低空经济 (low altitude economy, LAE) 作为未来航空领域的重要发展方向，涵盖了无人机 (uncrewed aerial vehicle, UAV) 与电动垂直起降 (electric vertical takeoff and landing, eVTOL) 等低空飞行器的广泛应用。该领域预示着运输、农业、环境监测等多个行业的变革。然而，随着无人机的快速普及，如何有效应对未经授权的无人机进入限制空域，成为低空经济健康发展的关键问题。传统的无人机反制技术主要包括物理捕获和干扰两大类，其中干扰方法因其高效性和低成本，成为了主流选择。 本研究提出了基于多输入多输出 (multiple-input multiple-output, MIMO) 蜂窝系统的联合通信与干扰 (joint communication and jamming, JCJ) 设计，通过充分利用现有的基站资源，实现合法用户通信与非法无人机干扰的双重任务，推动低空经济在实际应用中的安全性和高效性。2. 技术创新与亮点
图1. 面向低空安全的MIMO蜂窝网络联合通信和干扰场景
联合通信与干扰模型（JCJ）：提出了一种新颖的联合通信与干扰JCJ方案，旨在实现基站同时为合法用户提供通信服务的同时，反制未经授权的无人机。此方案在设计上摒弃了传统的为反制干扰所需的独立干扰信号流，提出无需额外的干扰信号流即可高效反制无人机，显著降低了系统复杂性与功耗。
约束创新：通过对JCJ优化问题的深入分析，设计了特定的约束条件，以确保通过半正定规划 (semi-definite programming, SDP)问题的半正定松弛解 (semi-definite relaxtion, SDR) 得到的解满足原问题的秩1约束，进一步增强了系统的可操作性。
系统架构设计：采用了基于MIMO技术的基站架构，并通过优化算法设计保证了在非法无人机数量超过基站天线数时，系统仍能有效运行。
3. 算法设计
首先通过定义联合通信与干扰JCJ优化问题并使用SDR方法转化为标准的SDP问题，从而解决了原问题的求解难度。针对SDP问题解的秩不满足约束的挑战，本文进一步提出了一种新型约束条件，确保了解决方案满足秩1约束。该约束条件规定：对于任何一个复对称矩阵，沿着所有与主对角线平行的斜对角线方向（不包括主对角线本身），将这些方向上的元素相加后取实部，所得数值必须大于等于该矩阵的迹（即主对角线元素之和）乘以一个预先设定的比例系数（其数值在0到1之间）。通过对问题结构的深度剖析，提出了一种基于CVX的优化算法，该算法能有效求解涉及多用户与多无人机的复杂通信干扰问题。
4. 性能分析
通过仿真实验，本文验证了所提出的JCJ方案的有效性。实验结果表明，在传统的干扰方案中，当合法用户和非授权无人机的数量超过基站天线数时，传统方案将无法正常工作，而JCJ方案依然能够有效工作。此外，当基站天线数量较少（如32个天线以下）时，JCJ方案的性能优于经典的信道反转（CI）方案。
进一步的仿真结果显示，JCJ方案在不同的用户数和无人机数下，均能够实现较低的传输功率，并且相较于CI方案，JCJ方案在功率需求上具有显著优势，尤其是在无人机数量较多的情况下，JCJ方案表现出更强的适应性和鲁棒性。
图2. 基站天线数为16，通信用户数为2，非授权无人机数为2时，变化通信用户速率约束 (R_{th}) 和非授权无人机信干噪比 (\Gamma_{th}) 所提JCJ方案和传统信道反转CI方案的发射功率差异。
图3. 基站天线数为16时，变化用户数 (N_{ue}) 和非授权无人机数 (N_{uav})时为达到通信用户7 bit/s/Hz通信速率和非授权无人机13 dB时所提JCJ方案和传统信道反转CI方案的发射功率差异。
图4. 通信用户数为2，非授权无人机数为2时，变化发射天线数 (N_{tx})时为达到通信用户7 bit/s/Hz通信速率和非授权无人机13 dB时所提JCJ方案和传统信道反转CI方案的发射功率差异。
5. 总结与展望
本研究提出了一种新型的联合通信与干扰JCJ方案，通过创新性的优化模型与约束设计，成功实现了MIMO基站在提供通信服务的同时反制非法无人机的目标。仿真结果表明，该方案能够在多用户和多无人机的环境下稳定运行，并且在低天线数的情况下优于传统的通信干扰方案。
未来的研究方向将包括：
感知功能集成：探索通信、感知与反制技术的集成设计，提升系统的多功能性。
频段差异的反制策略：考虑通信频段与干扰频段不一致的实际场景，设计更加灵活的联合干扰与通信方案。
混合波束赋形的应用：基于现有的混合波束赋形技术，进一步优化JCJ方案，降低复杂度并提升系统性能。
