无人机技术最早出现在20世纪30年代,起初是作为无人靶机用于军事训练,在两次世界大战期间,逐渐发展应用于军事侦察、情报收集和通讯,之后更是广泛应用于军事打击和军事监控,以减少机组人员的损伤。随着无人机成本的降低和体积的减小,民用无人机在迅速发展,如今无人机已经逐渐民用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业,同时也受到了学术界和工业界的广泛关注和研究。无人机也与移动通信技术结合发展,在突发的地质自然灾害中,无人机能快速恢复通信。在通信基础设施不完善的或终端用户过多的区域(如举办赛事的体育场),即使目前的通信基站能够满足用户现有的通信需求,但是难以满足未来通信大容量、高速率、低时延、高可靠的需求,而无人机与无线通信的结合可以为这一问题提供一种解决方案。无人机可以作为空中辅助移动中继,通过建立视距通信链路连接信号源和接收者,通过中继转发的方式使信号源和接收者的通信性能得到显著的改善和提升。除此之外,由于无人机具有动态部署的特点,它可以根据实际通信场景和物理环境实时调整飞行状态,对复杂环境有一定的适应能力,从而提升系统的适应性和抗干扰能力。随着第五代移动通信网络(5G)的发展,高宽带,低时延的通信场景,以及随时随地,灵活移动部署的服务要求,让未来移动无线通信面临很大的挑战。而无人机由于其独特的功能和特点,可以在空中充当灵活的通信支持设备而在5G网络中起到至关重要的作用,有助于进一步提升5G通信网络的网络容量和通信速率,也能使网络的覆盖区域进一步扩大,因此基于无人机的安全传输系统会成为未来无线通信的一个极具竞争力的方案。值得注意的是,无线信道具有广播特性,使得通信范围内的节点都能接收到信号源发送的信号,这让无线通信完全暴露于窃听者和攻击者,很容易遭受它们的攻击,另外无人机与地面通信时的空对地链路是以链路为主,更是加剧了这种安全隐患。由此可见,安全性是构建和维护无线通信网络的一个至关重要的问题。在此之前,基于密码学的加密方式是传统研究无线通信安全的主要方法,而这种加密方式成立的前提是密钥不被窃听者所窃取,或者窃听者无法在一定时间内破解密钥。但是随着计算机计算性能逐步提升,这种前提也逐渐被消除打破,这使得基于密码学的传统安全通信方式受到了威胁。在这个背景下,研究人员开始着手研究无线通信中的物理层安全问题。物理层安全技术是一种充分利用物理层的特性(如物理信道信息的唯一性和互易性)以实现信息的加密,从而使合法接收者与窃听者得到区分,以提升通信系统的保密安全性能,是上层安全技术的一个很好的补充。传统基于密码学的安全策略,主要是通过的加密技术实现的,而物理层安全技术不需要密钥的设计和分发,也避免了复杂算法,却仍然可以有效地为无线通信提供安全保障,这使得物理层安全技术比传统的安全技术更能适应未来大规模、分散分布的无线通信网络。基于以上研究,本文的目标是用物理层安全的相关技术在无人机通信系统中对抗恶意窃听者的窃听,以提升系统的安全性能。本文主要研究了两个问题:一是无人机辅助移动中继无线通信系统中的物理层安全问题,采用联合优化无人机的飞行轨迹和传输功率的方案,最大化无人机通信系统的保密容量,提升系统的保密性能。二是在主动干扰协作场景下讨论无人机安全传输,给出了两种干扰方案:一种方案是利用另一架无人机作为协作干扰机,发送人工干扰噪声,另一种方案是用一架无人机同时发送数据信号和干扰噪声,干扰窃听者的窃听,从而提升系统的保密性能。在优化过程中遇到非凸的问题,引入了松弛变量,利用序列凸规划的方法将非凸问题转化为近似的次优化凸问题,再使用凸优化的方法进行了求解。对于轨迹优化和功率分配这种耦合性强的两个问题,通过将其分解为两个子问题,提出固定一个解决另一个的交替迭代优化算法进行分步优化,并通过仿真证明迭代优化轨迹和功率的算法是有效的,且能明显提升系统的保密性能。