本报告将介绍一篇发表在*IEEE Journal on Selected Areas in Communications*期刊上，题为《面向多窃听者场景的空天地一体化网络无人机辅助物理层安全》的原创性研究论文。该研究于2025年11月在线发表，并于2026年2月以正刊形式发布。论文的第一作者是Tinh T. Bui，通讯作者为Trung Q. Duong和Hyundong Shin，作者团队分别来自加拿大纽芬兰纪念大学、英国贝尔法斯特女王大学、中国台湾中山大学以及韩国庆熙大学。这项研究得到了加拿大卓越研究主席计划、加拿大自然科学与工程研究理事会、韩国国家研究基金会等多个机构的资助。

本研究的学术背景聚焦于第六代无线网络物理层安全这一前沿领域。随着无线通信向空天地一体化网络演进，传统的基于密码学的安全协议在延迟、可扩展性和开销上面临挑战。物理层安全作为一种补充或替代方案，利用无线信道固有的随机性（如衰落、路径损耗和干扰）在信号层面保障信息安全，具有不依赖计算假设的优势。在空天地一体化网络中，由于卫星和无人机信号的广域广播特性，通信面临更高的被窃听风险。现有研究大多集中在单窃听者场景或单一领域的优化，对于如何在资源受限的空天地一体化网络中，面对多个窃听者协同优化资源以保障所有合法用户的安全，仍然缺乏一个全面且高效的框架。因此，本研究旨在填补这一空白，其核心目标是：提出一种由无人机辅助的物理层安全框架，通过联合优化子信道分配和功率分配，在存在多个窃听者的复杂环境下，最大化所有合法用户中最小的保密速率，从而确保用户间的安全公平性。

本研究的工作流程清晰，主要分为系统建模、问题构建与算法设计、仿真验证三个主要环节。在第一环节，研究者构建了一个典型的多窃听者空天地一体化网络场景。该场景包括一颗配备多天线的低地球轨道卫星、一架配备多天线的全双工无人机、若干受多个窃听者攻击的合法用户以及若干不受攻击的正常用户。研究者详细建立了三个关键的信道模型：卫星到无人机链路采用阴影莱斯衰落模型，以准确刻画低轨卫星与无人机间的信道特性；卫星到地面用户链路采用包含大尺度路径损耗和小尺度瑞利衰落的复合模型；无人机到地面用户链路则综合了路径损耗、视距/非视距概率以及小尺度衰落。在传输模型设计中，无人机扮演核心角色：它作为全双工中继，一方面接收卫星信号并转发给合法用户以增强其信号质量，另一方面向窃听者方向发射人工噪声以干扰其接收。为了有效干扰多个窃听者同时保证对合法用户的影响最小，研究采用了零空间预编码技术来设计无人机的波束成形向量，使得人工噪声被导向窃听者方向，同时在合法用户方向上被抵消。

基于上述系统模型，研究进入第二个核心环节——优化问题构建与求解。目标函数定义为最大化所有合法用户中最小的保密速率，这体现了对最脆弱用户的保护和对安全公平性的追求。优化变量包括离散的子信道分配指示变量和连续的发射功率变量。约束条件则涵盖了卫星和无人机的最大发射功率限制、每个合法用户的最低保密速率要求、每个正常用户的最低数据速率要求，以及每个子信道最多只能分配给一个合法用户等实际限制。该优化问题是一个混合整数非凸优化问题，直接求解极其困难。为此，研究者提出了一种混合求解策略。首先，他们使用约束遗传算法来求解子信道分配问题。与传统的二进制编码不同，本研究创新性地采用了整数编码方案，每个用户直接用一个整数表示其被分配的子信道索引。这大幅压缩了搜索空间，并避免了交叉和变异操作产生大量无效解。算法流程包括种群初始化、适应度评估（计算当前分配下的最小保密速率）、基于适应度的轮盘赌选择、均匀交叉以及按概率突变，并通过保留精英个体和设置软硬停止条件来保证收敛到高质量的解。其次，在给定子信道分配的基础上，功率分配问题通过一个嵌套循环算法解决。外层循环采用贝叶斯优化来处理由松弛变量构成的复杂目标函数，内层循环则将功率分配问题分解为两个子问题：卫星功率优化和无人机功率放大系数优化。针对这两个非凸子问题，研究者运用了变量替换、柯西-施瓦茨不等式以及一阶泰勒展开等数学工具进行凸近似，将原问题转化为一系列凸优化子问题，从而可以使用高效的内点法等标准凸优化工具进行迭代求解。这种分解与近似策略成功地将一个高复杂度的联合优化问题，转化为可通过序列化、低复杂度子问题逼近解决的可处理框架。

仿真结果表明，所提出的联合优化方案在多个性能指标上均显著优于基准方案。研究者设置了包含5个子信道、5个合法用户（对应5个窃听者）和20个正常用户的典型场景进行验证。首先，算法收敛性分析显示，采用40个个体的遗传算法比20个个体的版本能更稳定、更快速地收敛到更高的适应度值；而用于功率分配的贝叶斯优化外层循环也在约10次迭代后趋于稳定，证明了算法设计的有效性。其次，性能对比方面，研究者设置了两个基准方案：完全随机分配资源的“RandomAll”方案和仅优化子信道分配但功率随机的“OptAssocRandomPower”方案。在关键的“最小保密速率”指标上，本文提出的联合优化方案始终表现最佳。具体而言，随着卫星最大发射功率从50瓦提升到90瓦，所有方案的保密速率都有所提升，但本文方案的增长幅度和最终值均最高，这凸显了联合优化的优势。同样，随着无人机最大发射功率从5瓦增加到25瓦，本文方案的性能增益在高功率区更为明显，表明其能更充分地利用无人机资源。此外，研究还分析了无人机飞行高度的影响：当无人机高度从500米升至10公里时，由于路径损耗增加，所有方案的保密速率均下降，但本文方案在所有高度下都保持了最佳性能，展现了其鲁棒性。最为严峻的测试场景是窃听者数量的增加：当窃听者数量从1个增加到4个时，所有方案的保密率都急剧下降，这反映了多窃听者带来的巨大安全挑战。尽管如此，在4个窃听者的严苛条件下，本文方案的最小保密率仍比次优方案高出至少0.42 Mbps，有力地证明了其在多窃听者威胁下的有效性。

本研究的结论是，成功提出并验证了一个面向多窃听者空天地一体化网络的无人机辅助物理层安全框架。该框架通过部署全双工无人机同时执行信号中继和人工噪声干扰，并创新性地设计了一套混合优化算法来联合管理子信道和功率资源，从而在复杂的干扰环境中有效提升了网络最薄弱环节的安全性能。仿真结果充分证实了该方案在多种网络条件下的优越性。

本研究的亮点与价值主要体现在以下几个方面。首先，在问题新颖性上，它首次系统性地研究了多窃听者威胁下的空天地一体化网络物理层安全问题，并明确以最大化最小保密率为目标，强调了安全公平性，这与传统追求总吞吐量最大化的思路不同。其次，在方法创新性上，研究者提出了结合约束遗传算法和嵌套凸近似贝叶斯优化的混合求解框架，巧妙地处理了混合整数非凸优化这一NP-hard难题。特别是整数编码的遗传算法和将复杂功率问题分解为卫星、无人机两个可凸近似子问题的策略，极具工程实用价值。最后，在应用价值上，该研究为未来6G空天地一体化网络中实现灵活、弹性的安全通信提供了重要的理论框架和算法参考，尤其适用于对安全有苛刻要求的应急通信、军事通信等场景。

除了上述核心内容，论文还指出了未来可能的研究方向，包括：研究更高效的全双工自干扰消除技术以提升无人机中继性能；考虑不完美信道状态信息等实际系统损伤，以增加模型的鲁棒性；探索基于强化学习的自适应资源分配方法，以应对动态变化的网络环境。这些都为后续研究提供了清晰的指引。