CN110224782B - 一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统。方法包括：基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取无人机群的遍历保密和速率；调整第一发射功率集和第二发射功率集以最大化遍历保密和速率，以使得无人机群按照遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。本发明实施例提供的方法及系统，采取了通信与干扰协同的方式，降低非授权终端的解码性能；最大化遍历保密和速率，平衡保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，降低对授权终端接收性能的影响，保障了无人机编队网络通信的安全性。

Description

一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统。
背景技术
近年来，无人机的研究和应用正在呈几何级数的趋势增长。由于无人机的可移动性，可以利用无人机进行敏捷的通信；基于无人机的高灵活性，可以将无人机作为空中移动基站来增强通信容量和扩大覆盖范围，尤其是在特殊的通信场景下，比如地震、海啸和交通管制等；而且通常无人机的研究和制造成本都比较低，它们可以辅助完成5G无线通信中的重要业务，比如高速传输。但是在实际通信条件下，无人机的工作环境往往是很复杂的，而无人机自身设计也有很大的局限性，比如体积小、续航能力有限等。因此，随着业务需求复杂度的不断提高，对无人机编队协同工作的通信系统的研究也日益广泛。
对无人机编队通信系统来说，一个重要的挑战是如何保障通信系统的安全性。一方面，由于无人机编队与所服务用户之间的通信链路的广播性和开放性，无人机编队通信系统不可避免地会受到不同程度的安全威胁；另一方面，无人机自身具有很高的灵活性，因此为了更好地服务用户，无人机编队通信系统在工作时往往会选择靠近用户的位置发送有用信号，这无疑对非授权用户的窃听提供了有利的条件，从而影响通信系统的安全性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，包括：
基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；
调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
第二方面，本发明实施例提供一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信系统，包括：
遍历保密和速率获取模块，用于基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；
遍历保密和速率最大化模块，用于调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法及系统，一方面采取了通信与干扰协同的方式，即采取了人工噪声辅助的方式，使得无人机群在发射保密信号(通信)的同时也发射干扰信号(干扰)，从而干扰非授权终端，降低非授权终端的解码性能；另一方面，通过调整第一发射功率集和第二发射功率集以最大化遍历保密和速率，平衡保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，降低对授权终端接收性能的影响，保障了信息传输和无人机编队网络通信的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好地说明本发明实施例，首先对无人机编队网络进行说明。无人机编队网络通常指的是由无人机群和若干个授权终端构成的网络，其中，无人机群包括多个无人机，授权终端指的是与无人机群进行信息传输的合法终端。但是，在无人机群与授权终端进行信息传输的过程中，由于传播环境的开放性，通常会有非授权终端进行信息窃听，其中，非授权终端指的是窃听无人机群与授权终端间所传输信息的非法终端。因此，无人机编队网络中通常还包括非授权终端。为了防止非授权终端的窃听，保障无人机编队网络的通信安全性，本发明实施例提供了一种基于主动干扰的无人机编队网络的安全通信方法。
图1为本发明实施例提供的一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度。
具体地，本发明实施例中的无人机编队网络具体包括：由L个单天线无人机组成的无人机群、N个多天线授权终端以及一个多天线非授权终端。将无人机群执行与N个授权终端进行信息传输任务的整个时间段称为无人机群的一个飞行周期，该飞行周期主要包括两个部分：飞行时间段和悬停时间段。无人机群只在悬停时间段内与授权终端进行信息传输，并且在每个悬停时间段内，无人机群只与一个被调度的授权终端进行信息传输。在整个无人机群的飞行周期内，每个授权终端只被调度一次。由于非授权终端的存在，非授权终端会在每个悬停时间段内对无人机群与授权终端间传输的信息进行窃听。
假设L为3，3个无人机分别为A、B和C，N为2，2个授权终端分别为甲和乙，1个非授权终端为丙。并且，无人机群在悬停时间段1内只与甲进行信息传输，在悬停时间段2内只与乙进行信息传输，由于丙的存在，在这2个悬停时间段内，丙均会进行信息窃听。此时：
无人机群与多个终端间的大尺度信道信息，包括：
在悬停时间段1内的A与甲的大尺度信道信息、B与甲的大尺度信道信息、C与甲的大尺度信道信息、A与丙的大尺度信道信息、B与丙的大尺度信道信息、C与丙的大尺度信道信息；以及，在悬停时间段2内的A与乙的大尺度信道信息、B与乙的大尺度信道信息、C与乙的大尺度信道信息、A与丙的大尺度信道信息、B与丙的大尺度信道信息、C与丙的大尺度信道信息。
需要说明的是，无人机群与多个终端间的小尺度信道信息包括的内容如上，只需把上述内容中的大尺度信道信息替换为小尺度信道信息即可，此处不再赘述。
无人机群的第一发射功率集，具体包括：
A向甲发射保密信号的功率、向乙发射保密信号的功率；B向甲发射保密信号的功率、向乙发射保密信号的功率；以及，C向甲发射保密信号的功率、向乙发射保密信号的功率。需要说明的是，第一发射功率集必须满足无人机自身的最大功率约束限值。
无人机群的第二发射功率集，具体包括：
A向甲发射干扰信号的功率、向乙发射干扰信号的功率；B向甲发射干扰信号的功率、向乙发射干扰信号的功率；以及，C向甲发射干扰信号的功率、向乙发射干扰信号的功率。需要说明的是，第二发射功率集必须满足无人机自身的最大功率约束限值。
基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取无人机群的遍历保密和速率，其中，遍历保密和速率用于表征无人机群的通信安全程度。
步骤102，调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
具体地，遍历保密和速率越高，则无人机群的通信安全程度越高，因此，在本发明实施例中通过调整无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集以最大化遍历保密和速率，并将遍历保密和速率最大时的调整后的第一发射功率集和调整后的第二发射功率集联合作为无人机群的目标发射功率集，以使得无人机群按照目标发射功率集平衡保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，提高授权终端的接收性能，降低非授权终端的窃听性能，从而保障信息传输和无人机编队网络通信的安全性。
本发明实施例提供的方法，一方面采取了通信与干扰协同的方式，即采取人工噪声辅助的方式，使得无人机群在发射保密信号(通信)的同时也发射干扰信号(干扰)，从而干扰非授权终端，降低非授权终端的解码性能；另一方面，通过调整第一发射功率集和第二发射功率集以最大化遍历保密和速率，平衡保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，降低对授权终端接收性能的影响，保障了信息传输的安全性，保障了无人机编队网络通信的安全性。
基于上述任一实施例，本发明实施例对无人机群与多个终端间的大尺度信道信息的获取进行说明。基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率，之前还包括：
步骤001，在所述无人机群的每个悬停时间段内，获取所述无人机群中每一无人机与对应终端间的距离。
具体地，由于在每个悬停时间段内，无人机群只与一个被调度的授权终端进行信息传输，在每个悬停时间段内只有同一个非授权终端进行信息窃听，因此，在每个悬停时间段内，无人机对应终端指的是该悬停时间段内与无人机群进行信息传输的被调度的授权终端和进行信息窃听的非授权终端。
假设无人机群中第l个无人机在第n个悬停时间段内的坐标为(wl[n],sl[n],hl[n])，其中(wl[n]，sl[n])表示第l个无人机的水平坐标点，hl[n]表示第l个无人机的飞行高度。在第n个悬停时间段内，假设授权终端的坐标为(rB[n]，tB[n]，0)，非授权终端的坐标为(rE[n]，tE[n]，0)。为了简化符号的标记，令B表示授权终端，E表示非授权终端。因此，在第n个悬停时间段内第l个无人机与终端q之间的距离为：
Figure BDA0002042854550000071
步骤002，根据所述距离，获取所述无人机与所述终端间的路径损耗。
具体地，在第n个悬停时间段内，第l个无人机与终端q之间的大尺度路径损耗
Figure BDA0002042854550000072
(以dB为单位)为：
Figure BDA0002042854550000073
其中，A＝ηLoS-ηNLoS，
Figure BDA0002042854550000074
Figure BDA0002042854550000075
a、b、ηLoS和ηNLoS是与增益环境有关的常量，f是载波频率，c表示光速。
步骤003，根据所述路径损耗，获取所述无人机与所述终端间的绝对功率损耗，并将所述绝对功率损耗作为所述无人机与所述终端间的大尺度信道信息。
具体地，在第n个悬停时间段内，第l个无人机与终端q之间的绝对路径损耗Qq，l[n]可以表示为：
Figure BDA0002042854550000076
并将其作为第l个无人机与终端q之间的大尺度信道信息。
步骤004，将若干个悬停时间段内获取到的所有大尺度信道信息作为所述无人机群与所述多个终端间的大尺度信道信息。
具体地，步骤001～003具体说明了在一个悬停时间段内，无人机群中的一个无人机与对应终端间大尺度信道信息的获取过程，可以理解的是，根据步骤001～003的过程，可获取一个悬停时间段内，无人机群中各无人机与对应终端间的大尺度信道信息，进而可获取到若干个悬停时间段内，无人机群与多个终端间的大尺度信道信息。
基于上述任一实施例，本发明实施例对上述实施例中的步骤101进行具体说明，即基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率，包括：
步骤1011，在所述无人机群的每个悬停时间段内，根据所述无人机群与对应授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群向所述授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取所述悬停时间段内所述无人机群的第一遍历速率；
步骤1012，在所述悬停时间段内，根据所述无人机群与对应非授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群向所述非授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取所述悬停时间段内所述无人机群的第二遍历速率；
步骤1013，根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率。
具体地，在无人机群的每个悬停时间段内，根据无人机群与对应授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，构建无人机群与该授权终端间的信道矩阵，进而根据信道矩阵和无人机群向该授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取无人机群在该悬停时间段内的第一遍历速率。并且，在无人机群的每个悬停时间段内，根据无人机群与对应非授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，构建无人机群与该非授权终端间的信道矩阵，进而根据信道矩阵和无人机群向该授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取无人机群在该悬停时间段内的第二遍历速率。
其中，构建信道矩阵的具体过程如下：
获取无人机群与对应终端间的信道信息，组成信道矩阵。其中，无人机群中第l个无人机与终端q之间的信道信息hql,k为：
Figure BDA0002042854550000081
其中，
Figure BDA0002042854550000082
表示第l个无人机与终端q之间的小尺度信道信息，其元素服从独立同分布CN(0，1)。
无人机群与终端q之间形成虚拟的Nq×L的MIMO链路，其中，Nq为终端q的天线数，此时，在第n个悬停时间段内，无人机群和终端q之间的复合信道矩阵
Figure BDA0002042854550000091
可以表示为：
Hq[n]＝Sq[n]Qq[n],q∈{B,E}；
其中，
Hq[n]＝[hq,1[n],hq,2[n],...,hq,L[n]],
Sq[n]＝[sq,1[n],sq,2[n],...,sq,L[n]],
Figure BDA0002042854550000092
此时，在第n个悬停时间段内无人机群的第一遍历速率RB[n]为：
Figure BDA0002042854550000093
其中，
Figure BDA0002042854550000094
分别表示无人机群在第n个悬停时间段内保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，
Figure BDA0002042854550000095
为无人机群中第l个无人机在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射的保密信号的功率，
Figure BDA0002042854550000096
为无人机编队中第l个无人机在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射的干扰信号的功率，
Figure BDA0002042854550000097
为基于SB[n]的求平均运算符，HB[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端之间的信道矩阵，δ2为噪声方差，
Figure BDA0002042854550000098
为维度NB×NB的单位矩阵，(·)H为共轭转置，(·)-1表示逆矩阵。
在第n个悬停时间段内无人机群的第二遍历速率RE[n]为：
Figure BDA0002042854550000099
其中，
Figure BDA00020428545500000910
和
Figure BDA00020428545500000911
分别表示无人机群在第n个悬停时间段内保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，
Figure BDA0002042854550000101
为无人机群中第l个无人机在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射的保密信号的功率，
Figure BDA0002042854550000102
为无人机编队中第l个无人机在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射的干扰信号的功率，
Figure BDA0002042854550000103
为基于SE[n]的求平均运算符，HE[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与非授权终端之间的信道矩阵，δ2为噪声方差，
Figure BDA0002042854550000104
为维度NE×NE的单位矩阵，(·)H为共轭转置，(·)-1表示逆矩阵。
根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率。
基于上述任一实施例，本发明实施例对无人机群的遍历保密和速率R(Φs,Φa)的计算公式进行具体说明，即根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率R(Φs,Φa)的公式为：
Figure BDA0002042854550000105
其中：
Figure BDA0002042854550000106
Figure BDA0002042854550000107
Figure BDA0002042854550000108
为无人机群的第一发射功率集，Ps[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射保密信号的功率，
Figure BDA0002042854550000109
为无人机群的第二发射功率集，Pa[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射干扰信号的功率，N为授权终端的个数，RB[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第一遍历速率，RE[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第二遍历速率，[x]+为0和x之间的最大值，，
Figure BDA00020428545500001010
为基于SB[n]的求平均运算符，HB[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端之间的信道矩阵，δ2为噪声方差，
Figure BDA00020428545500001011
为维度NB×NB的单位矩阵，(·)H为共轭转置，(·)-1表示逆矩阵，
Figure BDA00020428545500001012
为基于SE[n]的求平均运算符，HE[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与非授权终端之间的信道矩阵，
Figure BDA00020428545500001013
为维度NE×NE的单位矩阵。
基于上述任一实施例，本发明实施例对步骤102进行具体说明，即，调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，包括：
步骤1021，利用所述无人机群与多个终端间的大尺度信道信息，将所述遍历保密和速率转换为目标遍历保密和速率。
具体地，由于遍历保密和速率中存在小尺度信道信息，因此在数学上难以对遍历保密和速率进行最大化，因此，剔除遍历保密和速率中的所有小尺度信道信息，利用无人机群与多个终端间的大尺度信道信息，以将遍历保密和速率转换为目标遍历保密和速率。
步骤1022，基于块坐标下降法，对所述目标遍历保密和速率进行优化，以最大化所述遍历保密和速率。
具体地，块坐标下降法为是一种非梯度优化算法。算法在每次迭代中，在当前点处沿一个坐标方向进行一维搜索以求得一个函数的局部极小值。在整个过程中循环使用不同的坐标方向。对于不可拆分的函数而言，算法可能无法在较小的迭代步数中求得最优解。为了加速收敛，可以采用一个适当的坐标系，例如通过主成分分析获得一个坐标间尽可能不相互关联的新坐标系。
通过块坐标下降法对目标遍历保密和速率进行优化，能够实现遍历保密和速率的最大化。
基于上述任一实施例，本发明实施例对目标遍历保密和速率的计算公式进行具体说明，即所述目标遍历保密和速率
Figure BDA0002042854550000111
的公式为：
Figure BDA0002042854550000121
其中，Pu[n]＝Ps[n]+Pa[n]，
Figure BDA0002042854550000122
为无人机群的第一发射功率集，
Figure BDA0002042854550000123
为无人机群的第二发射功率集，Ps[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射保密信号的功率，Pa[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射干扰信号的功率，
Figure BDA0002042854550000124
均为辅助变量，N为授权终端的个数，NB为授权终端的天线数，QB[n]为无人机群在第n个悬停时间段内与被调度的授权终端间的大尺度信道信息，NE为非授权终端的天线数，QE[n]为无人机群在第n个悬停时间段内与非授权终端间的大尺度信道信息，IL为维度L×L的单位矩阵，δ2为噪声方差，e为自然常数。
基于上述任一实施例，本发明实施例对步骤1022进行具体说明，即，基于块坐标下降法，对所述目标遍历保密和速率进行优化，包括：
将Φs，Φa作为第一组变量，将tB,u，tE,a作为第二组变量，将tB,a，tE,u作为第三组变量；
基于块坐标下降法，对所述第一组变量、所述第二组变量和所述第三组变量进行交互迭代，对所述目标遍历保密和速率进行优化。
具体地，为了最大化遍历保密和速率，本发明实施例对目标遍历保密和速率进行优化，其优化问题数学模型为：
Figure BDA0002042854550000131
Figure BDA0002042854550000132
Figure BDA0002042854550000133
Figure BDA0002042854550000134
Figure BDA0002042854550000135
Figure BDA0002042854550000136
Figure BDA0002042854550000137
其中，Pmax表示单个无人机的功率约束，Emax表示在整个无人机飞行过程的能量约束。
在本发明实施例中采用块坐标下降法，通过对无人机群的发射功率(Φs，Φa)、辅助变量(tB,u，tE,a)和(tB,a，tE,u)进行交互迭代，最后得到Φs和Φa的最优解。该算法具体包括以下步骤：
1)初始化参数
初始化无人机群的第一发射功率集
Figure BDA0002042854550000138
和第二发射功率集
Figure BDA0002042854550000139
并给定算法迭代终止的门限值ε。
2)在初始化参数基础上，采用块坐标下降法，直到得到的遍历保密和速率值的增量小于迭代终止的门限值ε，最后得到的无人机群的发射功率Φs和Φa就是其最优解。具体步骤如下：
2-1)根据上一次迭代所得到的无人机群的发射功率Φs和Φa，并将此作为当前迭代的输入值，求解下列凸优化问题，从而得到辅助变量tB,u和tE,a的最优解：
Figure BDA00020428545500001310
s.t.tB,u≥0,tE,a≥0
很明显，该问题是凸优化问题，利用凸优化工具直接求得tB,u和tE,a的最优解。
2-2)类似地，根据上一次迭代所得到的无人机群的发射功率Φs和Φa，并将此作为当前迭代的输入值，求解下列凸优化问题，从而得到辅助变量tB,a和tE,u的最优解：
Figure BDA0002042854550000141
s.t.tB,a≥0,tE,u≥0
同样的，利用凸优化工具，可以直接求得tB,a和tE,u的最优解。
2-3)根据由步骤2-1)得到的辅助变量tB,u和tE,a和由步骤2-2)得到的辅助变量tB,a和tE,u，求解下列凸优化问题，从而得到无人机群的发射功率Φs和Φa：
Figure BDA0002042854550000142
Figure BDA0002042854550000143
Figure BDA0002042854550000144
Figure BDA0002042854550000145
Figure BDA0002042854550000146
由于目标函数是关于无人机群发射功率Φs和Φa的非凸函数，因此步骤2-3)的优化问题是非凸优化问题。将目标函数中的g(Pa[n],NB,QB[n],tB,a[n])和g(Pu[n],NE,QE[n],tE,u[n])分别在给定点
Figure BDA0002042854550000147
和
Figure BDA0002042854550000148
采用一阶泰勒展开的方式，从而将目标函数转化为关于Φs和Φa的线性函数，具体地：
g(Pa[n],NB,QB[n],tBa[n])的梯度可以表示为：
Figure BDA0002042854550000149
则g(Pa[n],NB,QB[n],tB,a[n])在某一给定点
Figure BDA00020428545500001410
的一阶泰勒展开的表达式为：
Figure BDA0002042854550000151
其中，
Figure BDA0002042854550000152
同样地，g(Pu[n],NE,QE[n],tE,u[n])的梯度可以表示为：
Figure BDA0002042854550000153
则g(Pu[n],NE,QE[n],tE,u[n])在某一给定点
Figure BDA0002042854550000154
的一阶泰勒展开的表达式为：
Figure BDA0002042854550000155
其中
Figure BDA0002042854550000156
此时，该步骤中的优化问题可以进一步转化为:
Figure BDA0002042854550000157
Figure BDA0002042854550000158
Figure BDA0002042854550000159
Figure BDA00020428545500001510
Figure BDA00020428545500001511
转化后的优化问题是凸的，可以直接利用凸优化工具进行求解，从而得到无人机群的发射功率Φs和Φa。
3)根据步骤2)所得的无人机群发射功率的最优解Φs和Φa，求得无人机群的遍历保密和速率，并判断是否结束迭代。具体地：
3-1)第n个悬停时间段内，根据无人机群的空间位置信息，并结合授权终端和非授权终端的位置坐标分别求得大尺度信道信息QB[n]和QE[n]，然后再分别随机产生复高斯的小尺度信道信息SB[n]和SE[n]，进而分别得到第n个悬停时间段内无人机群与授权终端和非授权终端之间的信道矩阵HB[n]和HE[n]。
3-2)由公式
Figure BDA0002042854550000161
计算得当前迭代时无人机群的遍历保密和速率；
3-3)判断是否结束迭代：
3-3-1)由公式
Figure BDA0002042854550000162
得到上一次迭代时的无人机群的遍历保密和速率，再由公式
Figure BDA0002042854550000163
计算得到△；
3-3-2)若△>ε，则令
Figure BDA0002042854550000164
并返回到步骤2)，继续迭代；
如果△≤ε，则认为迭代已经收敛，结束迭代，得到无人机群的最优发射功率Φs和Φa以及此时无人机群的最大遍历保密和速率。
图2为本发明实施例提供的一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括：
遍历保密和速率获取模块201，用于基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；遍历保密和速率最大化模块202，用于调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
本发明实施例提供的系统，具体执行上述各方法实施例流程，具体请详见上述各方法实施例的内容，此处不再赘述。本发明实施例提供的系统，一方面采取了通信与干扰协同的方式，即采取了人工噪声辅助的方式，使得无人机群在发射保密信号(通信)的同时也发射干扰信号(干扰)，从而干扰非授权终端，降低非授权终端的解码性能；另一方面，通过调整第一发射功率集和第二发射功率集以最大化遍历保密和速率，平衡保密信号的发射功率和干扰信号的发射功率，降低对授权终端接收性能的影响，保障了信息传输的安全性，保障了无人机编队网络通信的安全性。
图3为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)301、通信接口(Communications Interface)302、存储器(memory)303和通信总线304，其中，处理器301，通信接口302，存储器303通过通信总线304完成相互间的通信。处理器301可以调用存储在存储器303上并可在处理器301上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
此外，上述的存储器303中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，包括：
基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；
调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号；根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率R(Φs,Φa)的公式为：
Figure FDA0002395567030000011
其中，
Figure FDA0002395567030000012
Figure FDA0002395567030000013
Figure FDA0002395567030000014
为无人机群的第一发射功率集，Ps[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射保密信号的功率，
Figure FDA0002395567030000015
为无人机群的第二发射功率集，Pa[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射干扰信号的功率，N为授权终端的个数，RB[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第一遍历速率，RE[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第二遍历速率，[x]+为0和x之间的最大值，
Figure FDA0002395567030000016
为基于SB[n]的求平均运算符，HB[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端之间的信道矩阵，δ2为噪声方差，
Figure FDA0002395567030000017
为维度NB×NB的单位矩阵，(·)H为共轭转置，(·)-1表示逆矩阵，
Figure FDA0002395567030000021
为基于SE[n]的求平均运算符，HE[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与非授权终端之间的信道矩阵，
Figure FDA0002395567030000022
为维度NE×NE的单位矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率，之前还包括：
在所述无人机群的每个悬停时间段内，获取所述无人机群中每一无人机与对应终端间的距离；
根据所述距离，获取所述无人机与所述终端间的路径损耗；
根据所述路径损耗，获取所述无人机与所述终端间的绝对功率损耗，并将所述绝对功率损耗作为所述无人机与所述终端间的大尺度信道信息；
将若干个悬停时间段内获取到的所有大尺度信道信息作为所述无人机群与所述多个终端间的大尺度信道信息。
3.根据权利要求1所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率，包括：
在所述无人机群的每个悬停时间段内，根据所述无人机群与对应授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群向所述授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取所述悬停时间段内所述无人机群的第一遍历速率；
在所述悬停时间段内，根据所述无人机群与对应非授权终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群向所述授权终端发射保密信号的功率和发射干扰信号的功率，获取所述悬停时间段内所述无人机群的第二遍历速率；
根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率。
4.根据权利要求1所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，包括：
利用所述无人机群与多个终端间的大尺度信道信息，将所述遍历保密和速率转换为目标遍历保密和速率；
基于块坐标下降法，对所述目标遍历保密和速率进行优化，以最大化所述遍历保密和速率。
5.根据权利要求4所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，所述目标遍历保密和速率G(Φs,Φa,tB,u,tB,a,tE,u,tE,a)的公式为：
Figure FDA0002395567030000031
其中，Pu[n]＝Ps[n]+Pa[n]，
Figure FDA0002395567030000032
为无人机群的第一发射功率集，
Figure FDA0002395567030000033
为无人机群的第二发射功率集，Ps[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射保密信号的功率，Pa[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射干扰信号的功率，
Figure FDA0002395567030000034
均为辅助变量，N为授权终端的个数，NB为授权终端的天线数，QB[n]为无人机群在第n个悬停时间段内与被调度的授权终端间的大尺度信道信息，NE为非授权终端的天线数，QE[n]为无人机群在第n个悬停时间段内与非授权终端间的大尺度信道信息，IL为维度是L×L的单位矩阵，δ2为噪声方差，e为自然常数。
6.根据权利要求5所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法，其特征在于，基于块坐标下降法，对所述目标遍历保密和速率进行优化，包括：
将Φs，Φa作为第一组变量，将tB,u，tE,a作为第二组变量，将tB,a，tE,u作为第三组变量；
基于块坐标下降法，对所述第一组变量、所述第二组变量和所述第三组变量进行交互迭代，对所述目标遍历保密和速率进行优化。
7.一种基于主动干扰的无人机编队网络安全通信系统，其特征在于，包括：
遍历保密和速率获取模块，用于基于无人机群与多个终端间的大尺度信道信息和小尺度信道信息，以及所述无人机群的第一发射功率集和第二发射功率集，获取所述无人机群的遍历保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个非授权终端，所述第一发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射保密信号的功率，所述第二发射功率集包括所述无人机群向每一被调度的授权终端发射干扰信号的功率，所述遍历保密和速率用于表征所述无人机群的通信安全程度；
遍历保密和速率最大化模块，用于调整所述第一发射功率集和所述第二发射功率集以最大化所述遍历保密和速率，以使得所述无人机群按照所述遍历保密和速率最大时的第一发射功率集和第二发射功率集，向所述若干个授权终端发射保密信号和干扰信号；
根据若干个悬停时间段内获取到的所述无人机群的所有第一遍历速率和所有第二遍历速率，获取所述无人机群的遍历保密和速率R(Φs,Φa)的公式为：
Figure FDA0002395567030000041
其中，
Figure FDA0002395567030000051
Figure FDA0002395567030000052
Figure FDA0002395567030000053
为无人机群的第一发射功率集，Ps[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射保密信号的功率，
Figure FDA0002395567030000054
为无人机群的第二发射功率集，Pa[n]为无人机群在第n个悬停时间段内向被调度的授权终端发射干扰信号的功率，N为授权终端的个数，RB[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第一遍历速率，RE[n]为无人机群在第n个悬停时间段内的第二遍历速率，[x]+为0和x之间的最大值，
Figure FDA0002395567030000055
为基于SB[n]的求平均运算符，HB[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端之间的信道矩阵，δ2为噪声方差，
Figure FDA0002395567030000056
为维度NB×NB的单位矩阵，(·)H为共轭转置，(·)-1表示逆矩阵，
Figure FDA0002395567030000057
为基于SE[n]的求平均运算符，HE[n]表示第n个悬停时间段内无人机群与非授权终端之间的信道矩阵，
Figure FDA0002395567030000058
为维度NE×NE的单位矩阵。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于主动干扰的无人机编队网络安全通信方法的步骤。
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