CN109640257A - 一种基于无人机的iot网络安全传输方法 - Google Patents

一种基于无人机的iot网络安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，用于对抗被动窃听的多无人机协同辅助的IoT网络，包含一个无人机源节点S1、一个无人机干扰节点S2、多个合法目的节点和多个被动的窃听节点，采用正交时分复用接入技术，其中，考虑到窃听节点会截取私密信息，利用多个无人机协同合作，在发送私密信息的同时另一无人机发送人工干扰，并且通过无人机的轨迹设计、用户调度、on‑off机制、以及人工干扰，有效提高系统可靠性和传输的安全性，整个方案设计复杂度低，操作简单，易于实现。

Description

一种基于无人机的IOT网络安全传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，属于对抗被动窃听的无人机辅助IoT网络无线通信技术领域。
背景技术
无人机因其成本低、移动灵活和可控性强等优点成为近年来研究的热点，其在战场侦查、森林火灾探测、灾后应急等方面都有着广泛的应用。数据需求的爆炸性增长的和移动终端的动态不平衡分布给无线网络带来了诸多挑战。对于传统移动通信网络，当移动终端移动到偏远区域或者信道受到障碍物严重阻挡时，地面通信性能通常很差。与现有的地面通信系统相比，无人机辅助无线网络有利于克服由于地形特征造成的传播限制，增强信号覆盖范围并降低运营成本。近年来，无人机通信正以不可抵挡的势头渗透到各行各业，目前业界已开始了无人机通信在各种场景的应用研究，如无人机中继通信、无人机辅助IoT网络等。在传统的中继系统模型中都采用静态的中继，即中继的部署位置是固定的。在无人机不断发展的推动下，人们越来越关注将协同中继扩展到采用无人机辅助移动中继的场景。在无人机辅助的中继网络中，无人机可以充当移动中继为无可靠直达链路的多个用户或用户组之间提供无线连接，扩大覆盖范围。在无人机辅助IoT网络中，如物联网监视系统，其设备(例如摄像机，传感器和雷达)分布在广阔的区域，无人机可以在3D空间中自由移动，实现无处不在的覆盖和按需数据分发/收集，以处理系统参数重新配置、软件更新、数据上传等。
在无人机通信中，由于无人机的高度，无人机到地面的视距(LoS)链路通常占主导地位。因此，UAV仅仅利用位置信息便可获得地面节点的信道增益。此外，为了进一步应对基础设施成本的不断增长同时实现性能的提升，可以利用无人机移动性。通过合理调整无人机飞行轨迹，可以显著地缩短无人机与地面用户之间的传输距离。目前，已有一些文献提出将无人机用来辅助IoT网络，如，文献“Low-Altitude Unmanned Aerial Vehicles-BasedInternet of Things Services:Comprehensive Survey and Future Perspectives,IEEEInternet of Things Journal,vol.3,no.6,pp.899–922,2016”对基于低空无人机的物联网服务面临的主要挑战和未来展望进行了综合调查。文献“Mobile Unmanned AerialVehicles(UAVs)for Energy-Efficient Internet of Things Communications,IEEETransactions on Wireless Communications,vol.16,no.11,pp.7574-7589,2017”研究了无人机辅助的IoT网络能量效率优化问题，结果表明无人机的移动性能大大提高系统的能量效率。目前无人机辅助的IoT网络已经引起了广泛关注，但是对其面临的安全问题研究还处于起步阶段。
由于无线信号的广播特性，使得通过开放的无线链路传输的大量敏感和私密信息可能被非法节点窃听，存在极大安全威胁。因此安全性能应该作为无人机通信网络在设计和实现过程中需要考虑的首要问题之一。物理层安全技术利用无线衰落信道的时变特性而不是依靠传统的密钥系统来保护私密信息不被窃听，既降低了设计复杂度又解决了窃听节点计算能力日益提升带来的威胁，已经引起了广泛关注。
无人机通信相对于地面通信而言，其大概率直达链路使得合法目的节点信道增益大大提高的同时也会导致窃听节点信道质量的提升。因此，无人机通信系统的安全问题引起了业界的关注。文献“Joint Power and Trajectory Design for Physical-LayerSecrecy in the UAV-Aided Mobile Relaying System，IEEE Access,vol.6,pp.2169-3536,2018”研究了四节点无人机中继系统(一个源节点、一个目的节点、一个窃听节点和一个无人机中继)的物理层安全性能，通过功率和飞行轨迹的联合优化来提升系统的可达安全速率。而关于无人机辅助IoT网络安全能效性能的研究还未得到关注。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，基于多个无人机协同合作，在无人机辅助IoT网络中，通过无人机的轨迹设计、用户调度、on-off机制和人工干扰，能够有效提高系统可靠性，以及传输的安全与效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，针对目标区域中各个固定位置合法目的节点，用于实现无人机源节点S1依次与各个合法目的节点、分别通信Nave时长，目标区域中包含各个固定位置窃听节点，所述IOT网络安全传输方法，基于无人机干扰节点S2，包括如下步骤：
步骤A.将距离无人机源节点S1所在位置最近、且未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点作为当前处理目的节点，然后将距离当前处理目的节点所在位置最近窃听节点作为当前处理窃听节点，并进入步骤B；
步骤B.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则进入步骤C；否则进入步骤E；
步骤C.无人机源节点S1保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理目的节点所在位置飞行，同时，无人机干扰节点S2保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理窃听节点所在位置飞行，然后进入步骤D；
步骤D.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则返回步骤C，否则进入步骤E；
步骤E.以当前处理目的节点所在位置为圆心，当前处理目的节点所在位置到无人机源节点S1所在位置的距离为半径，构成当前通信区域，控制无人机源节点S1位于当前通信区域中，并开始计时，无人机源节点S1控制其信息发送端处于工作状态，实现其与当前处理目的节点的通信；
同时，无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于工作状态，向当前处理窃听节点发送干扰信号；
然后进入步骤F；
步骤F.当前处理目的节点根据其已知无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号，即当前处理目的节点获得无人机源节点S1对其发送的信号，然后待计时达到Nave时长后，进入步骤G；
步骤G.无人机源节点S1控制其信息发送端处于静默状态，以及无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于静默状态，并进入步骤H；
步骤H.判断目标区域中是否存在未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点，是则返回步骤A，否则方法结束。
作为本发明的一种优选技术方案：针对所述步骤A至步骤H全部循环执行的用时，平均分为N个时隙，N大于目标区域中合法目的节点的数量K；
所述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点的通信,当前处理目的节点Dk在相应时隙n的接收信噪比其中，n∈{1、L、N}，k∈{1、L、K}，P1表示无人机源节点S1的信号发送功率，β0表示参考距离为1m时的信道增益，d1k(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点Dk之间的距离，(σd)2表示当前处理目的节点Dk的噪声功率；
进一步获得当前处理目的节点Dk在相应时隙n的可达速率Rnk＝αk(n)log2(1+γk(n))，其中，αk(n)表示无人机源节点S1分别在各时隙n中、分别相对各合法目的节点Dk的状态值，当无人机源节点S1在时隙n中、其信息发送端处于静默状态，则αk(n)＝0，当无人机源节点S1在时隙n中向合法目的节点Dk发送信号，则αk(n)＝1；
同时，无人机干扰节点S2向当前处理窃听节点发送干扰信号，当前处理窃听节点Em在相应时隙n的接收信干噪比其中，m∈{1、L、M}，M表示目标区域中窃听节点的个数，P2表示无人机干扰节点S2的信号发送功率，d1m(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理窃听节点Em之间的距离，d2m(n)表示相应时隙n中、无人机干扰节点S2与当前处理窃听节点Em之间的距离，(σe)2表示当前处理窃听节点Em的噪声功率；
还包括如下步骤I至步骤K，执行完步骤A至步骤H的全部循环后，进入步骤I；
步骤I.根据如下公式：
获得各个时隙n中、相应窃听节点Em信息码字传输的可达速率Re(n)，然后进入步骤J；
步骤J.根据如下公式：
获得各个时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点之间的可达安全速率Rs(n)；然后进入步骤K，其中，[u]+＝max(u,0)；
步骤K.根据如下公式：
获得安全能量效率SEE，表示目标区域中全部合法目的节点整体的性能。
作为本发明的一种优选技术方案：所述IOT网络安全传输方法执行中，还包括上位控制调度模块，上位控制调度模块分别与无人机源节点S1、无人机干扰节点S2进行通信；
所述步骤C中，无人机源节点S1以其信息发送端静默状态、按其最大速度向当前处理目的节点所在位置飞行的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2以其信息发送端静默状态、按其最大速度向当前处理窃听节点所在位置飞行；
步骤E中，无人机源节点S1实现其与当前处理目的节点通信的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2向当前处理窃听节点发送干扰信号；
步骤G中，无人机源节点S1控制其信息发送端处于静默状态的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于静默状态。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点通信的同时，当前处理目的节点接收到来自无人机干扰节点S2的干扰信号；则步骤F中，当前处理目的节点对其与无人机干扰节点S2之间的信道进行估计，获得无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤E中，控制无人机源节点S1位于当前处理目的节点的正上方。
本发明所述一种基于无人机的IOT网络安全传输方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，用于对抗被动窃听的多无人机协同辅助的IoT网络，包含一个无人机源节点S1、一个无人机干扰节点S2、多个合法目的节点和多个被动的窃听节点，采用正交时分复用接入技术，其中，考虑到窃听节点会截取私密信息，利用多个无人机协同合作，在发送私密信息的同时另一无人机发送人工干扰，并且通过无人机的轨迹设计、用户调度、on-off机制、以及人工干扰，有效提高系统可靠性和传输的安全性，整个方案设计复杂度低，操作简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明所设计基于无人机的IOT网络安全传输方法的应用示意图；
图2是本发明所设计基于无人机的IOT网络安全传输方法的流程示意图；
图3是本发明设计方法实施例应用中无人机飞行轨迹在水平面投影示意图；
图4是本发明设计方法与采用相同飞行轨迹但无人工干扰、以及采用相同飞行轨迹但无on-off机制传输方法的安全能量效率随着无人机高度变化的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，基于图1所示架构，针对目标区域中各个固定位置合法目的节点，用于实现无人机源节点S1依次与各个合法目的节点、分别通信Nave时长，实际应用中，目标区域中包含各个固定位置窃听节点，所述IOT网络安全传输方法，基于无人机干扰节点S2，以及应用上位控制调度模块，分别与无人机源节点S1、无人机干扰节点S2进行通信；在具体的实施过程中，按图2所示，执行如下步骤，针对下述步骤A至步骤H全部循环执行的用时，平均分为N个时隙，N大于目标区域中合法目的节点的数量K，如此，每个时隙长度足够小，则每个时隙内无人机的位置可看作近似不变。
步骤A.将距离无人机源节点S1所在位置最近、且未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点作为当前处理目的节点，然后将距离当前处理目的节点所在位置最近窃听节点作为当前处理窃听节点，并进入步骤B。
步骤B.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则进入步骤C；否则进入步骤E。
步骤C.无人机源节点S1保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理目的节点所在位置飞行，同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理窃听节点所在位置飞行，然后进入步骤D。
步骤D.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则返回步骤C，否则进入步骤E。
步骤E.以当前处理目的节点所在位置为圆心，当前处理目的节点所在位置到无人机源节点S1所在位置的距离为半径，构成当前通信区域，控制无人机源节点S1位于当前通信区域中，实际应用中，控制无人机源节点S1位于当前处理目的节点的正上方，则信号收发质量最好，与此同时开始计时，无人机源节点S1控制其信息发送端处于工作状态，实现其与当前处理目的节点的通信；同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于工作状态，向当前处理窃听节点发送干扰信号；然后进入步骤F。
上述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点的通信,当前处理目的节点Dk在相应时隙n的接收信噪比其中，n∈{1、L、N}，k∈{1、L、K}，P1表示无人机源节点S1的信号发送功率，β0表示参考距离为1m时的信道增益，d1k(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点Dk之间的距离，(σd)2表示当前处理目的节点Dk的噪声功率。
进一步获得当前处理目的节点Dk在相应时隙n的可达速率Rnk＝αk(n)log2(1+γk(n))，其中，αk(n)表示无人机源节点S1分别在各时隙n中、分别相对各合法目的节点Dk的状态值，当无人机源节点S1在时隙n中、其信息发送端处于静默状态，则αk(n)＝0，当无人机源节点S1在时隙n中向合法目的节点Dk发送信号，则αk(n)＝1。
同时，无人机干扰节点S2向当前处理窃听节点发送干扰信号，当前处理窃听节点Em在相应时隙n的接收信干噪比其中，m∈{1、L、M}，M表示目标区域中窃听节点的个数，P2表示无人机干扰节点S2的信号发送功率，d1m(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理窃听节点Em之间的距离，d2m(n)表示相应时隙n中、无人机干扰节点S2与当前处理窃听节点Em之间的距离，(σe)2表示当前处理窃听节点Em的噪声功率。
步骤F.当前处理目的节点根据其已知无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号，即当前处理目的节点获得无人机源节点S1对其发送的信号，然后待计时达到Nave时长后，进入步骤G。
其中，上述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点通信的同时，当前处理目的节点接收到来自无人机干扰节点S2的干扰信号；则步骤F中，当前处理目的节点对其与无人机干扰节点S2之间的信道进行估计，获得无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号。
步骤G.无人机源节点S1控制其信息发送端处于静默状态，同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于静默状态，并进入步骤H。
步骤H.判断目标区域中是否存在未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点，是则返回步骤A，否则方法结束。
上述步骤A至步骤H全部循环执行完成后，进入步骤I。
步骤I.根据如下公式：
获得各个时隙n中、相应窃听节点Em信息码字传输的可达速率Re(n)，然后进入步骤J。
步骤J.根据如下公式：
获得各个时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点之间的可达安全速率Rs(n)；然后进入步骤K，其中，[u]+＝max(u,0)。
步骤K.根据如下公式：
获得安全能量效率SEE，表示目标区域中全部合法目的节点整体的性能。
上述技术方案所设计基于无人机的IOT网络安全传输方法，在具体某实施例应用当中，无人机飞行轨迹在水平面上投影的示意图如图3所示，其中D1、L、Dk、L、DK为无人机源节点S1所选择先后服务用户的下标。本发明的传输方法与采用相同飞行轨迹但无人工干扰以及采用相同飞行轨迹但无on-off机制传输方法的安全能量效率随着无人机高度变化的对比仿真如图4所示，其中步骤A至步骤H全部循环执行的用时T＝120s，无人机最大飞行速度vmax＝60m/s，各个时隙长度为0.5s，β0＝-50dB，(σd)2＝(σe)2＝-110dBm，无人机发送功率P1＝P2＝30dBm，无人机在一固定高度H上飞行，K＝7，M＝4，合法用户和窃听节点随机均匀的分布在半径为500米的圆形区域内，则在时隙n合法目的节点Dk的可达速率为Rnk＝αk(n)log2(1+γk(n))，其中αk(n)为状态指示函数，当S1在时隙n处于静默状态时αk(n)＝0，当S1在时隙n向用户Dk发送私密信息时αk(n)＝1。时隙n的窃听可达速率为那么时隙n的可达安全速率则为将安全能量效率(SEE，Secrecy Energy Efficiency)定义为由图4可知，本发明传输方法的安全能量效率要优于无人工干扰和无on-off机制的传输方法。
上述技术方案所设计一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，用于对抗被动窃听的多无人机协同辅助的IoT网络，包含一个无人机源节点S1、一个无人机干扰节点S2、多个合法目的节点和多个被动的窃听节点，采用正交时分复用接入技术，其中，考虑到窃听节点会截取私密信息，利用多个无人机协同合作，在发送私密信息的同时另一无人机发送人工干扰，并且通过无人机的轨迹设计、用户调度、on-off机制、以及人工干扰，有效提高系统可靠性和传输的安全性，整个方案设计复杂度低，操作简单，易于实现。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，其特征在于：针对目标区域中各个固定位置合法目的节点，用于实现无人机源节点S1依次与各个合法目的节点、分别通信Nave时长，目标区域中包含各个固定位置窃听节点，所述IOT网络安全传输方法，基于无人机干扰节点S2，包括如下步骤：
步骤A.将距离无人机源节点S1所在位置最近、且未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点作为当前处理目的节点，然后将距离当前处理目的节点所在位置最近窃听节点作为当前处理窃听节点，并进入步骤B；
步骤B.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则进入步骤C；否则进入步骤E；
步骤C.无人机源节点S1保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理目的节点所在位置飞行，同时，无人机干扰节点S2保持其信息发送端处于静默状态，并以其最大速度向当前处理窃听节点所在位置飞行，然后进入步骤D；
步骤D.判断当前处理目的节点的信道增益是否小于其所需信道增益下限值，是则返回步骤C，否则进入步骤E；
步骤E.以当前处理目的节点所在位置为圆心，当前处理目的节点所在位置到无人机源节点S1所在位置的距离为半径，构成当前通信区域，控制无人机源节点S1位于当前通信区域中，并开始计时，无人机源节点S1控制其信息发送端处于工作状态，实现其与当前处理目的节点的通信；
同时，无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于工作状态，向当前处理窃听节点发送干扰信号；
然后进入步骤F；
步骤F.当前处理目的节点根据其已知无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号，即当前处理目的节点获得无人机源节点S1对其发送的信号，然后待计时达到Nave时长后，进入步骤G；
步骤G.无人机源节点S1控制其信息发送端处于静默状态，以及无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于静默状态，并进入步骤H；
步骤H.判断目标区域中是否存在未与无人机源节点S1通信过的合法目的节点，是则返回步骤A，否则方法结束。
2.根据权利要求1所述一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，其特征在于：针对所述步骤A至步骤H全部循环执行的用时，平均分为N个时隙，N大于目标区域中合法目的节点的数量K；
所述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点的通信,当前处理目的节点Dk在相应时隙n的接收信噪比其中，n∈{1、L、N}，k∈{1、L、K}，P1表示无人机源节点S1的信号发送功率，β0表示参考距离为1m时的信道增益，d1k(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点Dk之间的距离，(σd)2表示当前处理目的节点Dk的噪声功率；
进一步获得当前处理目的节点Dk在相应时隙n的可达速率Rnk＝αk(n)log2(1+γk(n))，其中，αk(n)表示无人机源节点S1分别在各时隙n中、分别相对各合法目的节点Dk的状态值，当无人机源节点S1在时隙n中、其信息发送端处于静默状态，则αk(n)＝0，当无人机源节点S1在时隙n中向合法目的节点Dk发送信号，则αk(n)＝1；
同时，无人机干扰节点S2向当前处理窃听节点发送干扰信号，当前处理窃听节点Em在相应时隙n的接收信干噪比其中，m∈{1、L、M}，M表示目标区域中窃听节点的个数，P2表示无人机干扰节点S2的信号发送功率，d1m(n)表示相应时隙n中、无人机源节点S1与当前处理窃听节点Em之间的距离，d2m(n)表示相应时隙n中、无人机干扰节点S2与当前处理窃听节点Em之间的距离，(σe)2表示当前处理窃听节点Em的噪声功率；
还包括如下步骤I至步骤K，执行完步骤A至步骤H的全部循环后，进入步骤I；
步骤I.根据如下公式：
获得各个时隙n中、相应窃听节点Em信息码字传输的可达速率Re(n)，然后进入步骤J；步骤J.根据如下公式：
获得各个时隙n中、无人机源节点S1与当前处理目的节点之间的可达安全速率Rs(n)；然后进入步骤K，其中，[u]+＝max(u,0)；
步骤K.根据如下公式：
获得安全能量效率SEE，表示目标区域中全部合法目的节点整体的性能。
3.根据权利要求1所述一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，其特征在于：所述IOT网络安全传输方法执行中，还包括上位控制调度模块，上位控制调度模块分别与无人机源节点S1、无人机干扰节点S2进行通信；
所述步骤C中，无人机源节点S1以其信息发送端静默状态、按其最大速度向当前处理目的节点所在位置飞行的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2以其信息发送端静默状态、按其最大速度向当前处理窃听节点所在位置飞行；
步骤E中，无人机源节点S1实现其与当前处理目的节点通信的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2向当前处理窃听节点发送干扰信号；
步骤G中，无人机源节点S1控制其信息发送端处于静默状态的同时，上位控制调度模块协调控制无人机干扰节点S2控制其信息发送端处于静默状态。
4.根据权利要求1所述一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，其特征在于：所述步骤E中，无人机源节点S1与当前处理目的节点通信的同时，当前处理目的节点接收到来自无人机干扰节点S2的干扰信号；则步骤F中，当前处理目的节点对其与无人机干扰节点S2之间的信道进行估计，获得无人机干扰节点S2所发送的干扰信号，剥离其所接收信号中的干扰信号。
5.根据权利要求1所述一种基于无人机的IOT网络安全传输方法，其特征在于：所述步骤E中，控制无人机源节点S1位于当前处理目的节点的正上方。
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