CN112996117B - 卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置 - Google Patents

卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置，方法包括：根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；基于最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与无人机用户的通信。所述装置用于执行上述方法。本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置，通过合理的功率和信道分配，实现了卫星无人机协同覆盖网络的安全性，同时又能确保无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小。

Description

卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置。
背景技术
我国幅员辽阔，通信场景复杂多样，而现有4G、5G蜂窝网络的覆盖范围有限，主要集中在城市和部分农村地区，难以满足不断增长的通信需求。比如，在偏远农村、灾后、近海区域等场景中，地面基站被破坏或者难以密集部署，导致地面网络难以提供高效率的通信服务。为了满足这些场景下人和机器的通信需求，通常可以使用卫星来提供通信服务。然而，卫星通信具有通信时延大，通信速率受限等问题，为了实现高性能的通信覆盖，需要采用无人机来辅助卫星通信，这样就构成了一个卫星无人机协同覆盖网络。如何在有限的通信资源下尽可能保障卫星无人机协同覆盖网络的性能，是目前正被广泛研究的关键问题。
对于卫星无人机协同覆盖网络，安全性能十分重要。图1显示了卫星无人机协同覆盖网络的具体场景。其中，卫星与无人机分别服务自己的用户，同时每个合法无人机用户周围还有一个窃听者在窃听无人机链路，由于信道的物理特性，窃听者更容易窃听到无人机发送的信息，从而引发了通信的安全问题。另一方面，考虑到卫星无人机协同覆盖网络同时还有严重的频谱稀缺问题，而为了缓解这一问题，提高频谱利用率，无人机与卫星一般共享频谱，导致无人机用户同时对卫星用户产生了干扰。
如何保证卫星无人机协同覆盖网络的安全性，同时又能保证无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，用于克服现有技术中存在的上述问题，能够保证卫星无人机协同覆盖网络的安全性，同时又能保证无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小。
本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，包括：
根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案；
基于所述最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与所述目标无人机用户的通信。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量通过如下方式获取：
基于随机矩阵理论获取第一辅助变量和第二辅助变量；
根据所述第一辅助变量、无人机到目标无人机用户的大尺度信道增益、无人机在目标信道上的功率、系统的噪声方差和无人机数量，获取所述目标无人机用户的信道容量的第一预设决策变量；
根据所述第二辅助变量、无人机到窃听者的大尺度信道增益、所述无人机在目标信道上的功率、所述系统的噪声方差和所述无人机数量，获取所述窃听信道的信道容量的第二预设决策变量；
根据所述第一预设决策变量及所述第二预设决策变量，确定所述目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述约束条件通过如下方式确定：
根据所有无人机在目标信道上的功率及分配给所述目标无人机用户的最大发射功率，获取功率约束条件；
根据所述所有无人机在目标信道上的功率、所有无人机到目标卫星用户的大尺度信道增益及目标卫星用户收到的最大干扰强度，获取干扰强度约束条件；
其中，所述约束条件包括所述功率约束条件和干扰强度约束条件。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道通信的保密速率，包括：
获取第一预设决策变量的最小值及第二预设决策变量的最小值；
根据所述第一预设决策变量的最小值与所述第二预设决策变量的最小值的差值，获取所述目标信道的保密速率。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，包括：
根据所述目标无人机用户的发射功率预设值，对所述窃听信道的信道容量进行泰勒展开，获取所述窃听信道的信道容量在所述发射功率初始值的泰勒表达式，并确定待求解的第一问题和第二问题；
获取所述目标无人机用户的发射功率初始值、保密速率初始值、第一辅助变量的初始值及第二辅助变量的初始值；
通过迭代求解所述第一问题对所述发射功率的初始值和所述第一辅助变量的初始值进行更新，以及通过求解所述第二问题对所述第二辅助变量的初始值进行更新；
根据更新后的发射功率、更新后的第一辅助变量和更新后的第二辅助变量对所述保密速率的初始值进行更新，获取当前保密速率，在所述当前保密速率与前一次的保密速率的比值小于预设值的情况下，停止迭代，以获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案，包括：
分别以所述目标信道和所述目标无人机用户作为点集，构建二分图，根据所述目标无人机用户连接的边的权重的最大值，获取所述二分图中所述目标无人机用户的点集中点的第一标号值；
获取所述二分图中所述目标信道的点集中的点的第二标号值，以及获取所述预设最大权重匹配集合；
从所述目标无人机用户的点集中的第一个顶点开始，基于深度优先搜索算法在相等子图中搜索增广路径，并根据搜索结果对所述预设最大权重匹配集合进行更新；
根据更新后的预设最大权重匹配集合确定所述目标信道的最优分配方案；
其中，所述二分图的边用于表征将所述目标信道分配给所述目标无人机用户；
所述相等子图为所述权重等于所述第一标号值与第二标号值之和的边所构成的子图。
根据本发明提供的一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，所述根据搜索结果对所述预设最大权重匹配集合进行更新，包括：
若搜索到所述增广路径，则将搜索到的增广路径的匹配边与未匹配边交换，以对所述预设最大权重匹配集合进行更新，并在满足预设条件时，停止更新，获取更新后的最大权重匹配集合；
若未搜索到所述增广路径，则获取搜索过程中遍历的顶点集合，根据所述遍历的顶点集合对所述第一标号值、所述第二标号值及所述相等子图进行更新。
本发明还提供一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置，包括：保密速率获取模块、分配方案获取模块以及安全通信模块；
所述保密速率获取模块，用于根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
所述分配方案获取模块，用于根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案；
所述安全通信模块，用于基于所述最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与所述目标无人机用户的通信。
本发明还提供一种电子设备，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上述任一种所述卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法的步骤。
本发明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如上述任一种所述卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法的步骤。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置，通过合理的信道分配，解决了现有技术中因无人机与卫星共享频谱资源，导致无人机用户对卫星用户产生干扰的问题，确保无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小，同时通过合理的功率分配，使得卫星与无人机用户通信时能够获得最大的保密速率，以确保卫星无人机协同覆盖网络通信的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是现有技术提供的卫星无人机协同覆盖网络示意图；
图2是本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法的流程示意图；
图3是本发明提供的改变用户最大功率时方案性能比较结果示意图；
图4是本发明提供的改变干扰阈值时方案性能比较结果示意图；
图5是本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置的结构示意图；
图6是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
现有技术中提高系统安全性能的可行途径有针对无人机进行功率分配，或者是对无人机用户进行频域子信道分配。然而这两种方法都只考虑某种单一的通信资源的分配方案，没有全局考虑，因此对系统性能的提升十分有限。此外，考虑到无人机的高机动性和无线信道的时变性，获得完整的信道状态信息的代价很高。因此，本发明利用无线信道的大尺度衰落特性，探索协同优化无人机功率与信道频谱的联合分配，同时还要尽可能减小卫星无人机协同覆盖网络间干扰，并提高卫星无人机系统的安全性能。
图2是本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法的流程示意图，如图2所示，方法包括：
S1、根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
S2、根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；
S3、基于最优功率分配方案和最优分配方案进行卫星与无人机用户的通信。
需要说明的是，上述方法的执行主体可以是计算机设备。
可选地，以本发明构建的卫星无人机协同覆盖网络为例，对本发明加以详细说明，具体地：
构建卫星无人机协同覆盖网络主要包括卫星、第一预设数量个频谱段、无人机用户和卫星用户、第二预设数量个无人机，且确定卫星、各无人机用户、各卫星用户、各窃听者配备有第二预设数量根天线及各无人机均配备有一根天线，以布尔变量πkl表示系统的信道分配方案，πkl＝1表示将信道l分配给无人机用户k，反之πkl＝0。
利用先验的大尺度信道信息，获取目标无人机用户的信道容量以及窃听信道的信道容量，并基于目标无人机用户的信道容量以及窃听信道的信道容量得到目标无人机用户在目标信道的保密速率。
根据获得的保密速率及约束条件对卫星无人机协同覆盖网络分配预先分配给每个无人机用户的功率分配方案进行优化，获取对应目标无人机用户的最优功率分配方案。
对于每个无人机用户，假设其可能占据任意信道，一共包括信道总数*信道总数种情况，通过将无人机用户与所有信道进行匹配，并计算对应的无人机用户在信道的保密速率，对于每种情况，通过求解最大保密速率，可以获得这种情况下目标信道的最优分配方案。根据获得的目标无人机用户的功率分配方案以及目标信道的最优分配方案进行卫星与无人机用户的通信。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，通过合理的信道分配，解决了现有技术中因无人机与卫星共享频谱资源，导致无人机用户对卫星用户产生干扰的问题，确保无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小，同时通过合理的功率分配，使得卫星与无人机用户通信时能够获得最大的保密速率，以确保卫星无人机协同覆盖网络通信的安全性。
进一步地，在一个实施例中，步骤S1中目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量通过如下方式获取：
S11、基于随机矩阵理论获取第一辅助变量和第二辅助变量；
S12、根据第一辅助变量、无人机到目标无人机用户的大尺度信道增益、无人机在目标信道上的功率、系统的噪声方差和无人机数量，获取目标无人机用户的信道容量的第一预设决策变量；
S13、根据第二辅助变量、无人机到窃听者的大尺度信道增益、无人机在目标信道上的功率、系统的噪声方差和无人机数量，获取窃听信道的信道容量的第二预设决策变量；
S14、根据第一预设决策变量及第二预设决策变量，确定目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量。
假设构建卫星无人机协同覆盖网络由一个卫星与N架无人机组成，频谱分为K段，每段频谱分别服务一个卫星用户与一个无人机用户，同时每段频谱上还有一个窃听者想要窃听无人机用户的信息。假设卫星、卫星用户、无人机用户以及窃听者均配备有N根天线，每架无人机分别有1根天线，N台无人机构成一个有N根天线的虚拟天线阵列，因此构建的卫星无人机协同覆盖网络中所有的信道均为N×N的MIMO信道。
基于随机矩阵理论引入第一辅助变量wl和第二辅助变量zl，并根据第一辅助变量wl，无人机n到目标无人机用户k的大尺度信道增益
Figure BDA0002929821360000091
无人机n在目标信道l上的功率pnl，同时假设各信道的小尺度矩阵由独立同分布的标准复高斯变量组成，由此，得到系统的噪声方差为
Figure BDA00029298213600000911
的加性高斯白噪声，无人机数量为N，根据公式(1)获取目标无人机用户k在信道l上的信道容量，需要说明的是基于公式(1)获取的是无人机用户k在信道l上的信道容量的近似值：
Figure BDA0002929821360000092
其中，
Figure BDA0002929821360000093
代表目标无人机用户k在信道l的信道容量的近似值，
Figure BDA0002929821360000094
代表无人机用户k在信道l上的信道容量的第一预设决策变量；
根据第二辅助变量zl、无人机n到窃听者l的大尺度信道增益
Figure BDA0002929821360000095
无人机n在目标信道l上的功率pnl、系统的噪声方差
Figure BDA0002929821360000096
和无人机数量N，根据公式(2)获取窃听信道的信道容量
Figure BDA0002929821360000097
需要说明的是基于公式(2)获取的是窃听信道的信道容量的近似值：
Figure BDA0002929821360000098
其中，
Figure BDA0002929821360000099
代表窃听者在窃听信道l的信道容量的近似值，
Figure BDA00029298213600000910
代表窃听者在窃听信道l的信道容量的第二预设决策变量。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，通过基于随机矩阵理论引入第一辅助变量以及第二辅助变量，并基于此通过计算得到无人机用户的信道容量以及窃听信道的信道容量，并为后续根据无人机用户的信道容量以及窃听信道的信道容量获取无人机用户的保密速率提供了理论基础，且由于考虑了窃听者的存在，使得得到的保密速率更能确保卫星与无人机用户通信的安全性与可靠性。
进一步地，在一个实施例中，约束条件通过如下方式确定：
根据所有无人机在目标信道上的功率及分配给目标无人机用户的最大发射功率，获取功率约束条件；
根据所有无人机在目标信道上的功率、所有无人机到目标卫星用户的大尺度信道增益及目标卫星用户收到的最大干扰强度，获取干扰强度约束条件；
其中，约束条件包括功率约束条件和干扰强度约束条件。
可选地，根据无人机1至无人机N在目标信道上的功率(pn1～pnN)之和，以及分配给目标无人机用户k的最大发射功率Pk，基于公式(3)获取任意单信道例如将信道l分配给无人机用户k上的功率约束条件：
Figure BDA0002929821360000101
其中，s.t.1代表功率约束条件；
根据无人机1至无人机N在目标信道上的功率(pn1～pnN)、无人机1至无人机N到目标卫星用户l的大尺度信道增益
Figure BDA0002929821360000103
目标卫星用户收到的最大干扰强度Ik，根据公式(4)获取将信道l分配给无人机用户k上的干扰强度约束条件：
Figure BDA0002929821360000102
其中，s.t.2代表干扰强度约束条件。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，基于设置的卫星无人机协同覆盖网络间进行通信的约束条件，使得在有限的通信资源的情况下能够确保卫星无人机协同覆盖网络之间的通信质量。
进一步地，在一个实施例中，步骤S1可以具体包括：
S15、获取第一预设决策变量的最小值及第二预设决策变量的最小值；
S16、根据第一预设决策变量的最小值与第二预设决策变量的最小值的差值，获取目标信道的保密速率。
可选地，根据上述得到的无人机用户k在信道l上的信道容量的第一预设决策变量
Figure BDA0002929821360000111
和窃听者在窃听信道l的信道容量的第二预设决策变量
Figure BDA0002929821360000112
结合公式(1)-(2)得到无人机用户k在信道l上的信道容量的第一预设决策变量
Figure BDA0002929821360000113
的最小值和窃听者在窃听信道l的信道容量的第二预设决策变量
Figure BDA0002929821360000114
的最小值，并根据无人机用户k在信道l上的信道容量的第一预设决策变量
Figure BDA0002929821360000115
的最小值得到目标无人机用户k在信道l的信道容量
Figure BDA0002929821360000116
以及根据窃听者在窃听信道l的信道容量的第二预设决策变量
Figure BDA0002929821360000117
的最小值得到窃听者在窃听信道l的信道容量
Figure BDA0002929821360000118
根据无人机用户k在信道l上的信道容量的第一预设决策变量
Figure BDA0002929821360000119
的最小值与窃听者在窃听信道l的信道容量的第二预设决策变量
Figure BDA00029298213600001110
的最小值之间的差值，得到目标无人机用户k在目标信道l的保密速率，如公式(5)所示：
Figure BDA00029298213600001111
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，通过利用卫星无人机协同覆盖网络间的信道缓变的大尺度衰落特性，计算获取卫星与无人机用户通信时的保密速率，能够在保证卫星无人机协同覆盖网络间干扰足够小的情况下，提高通信系统的安全性能。
进一步地，在一个实施例中，步骤S2中根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，可以具体包括：
S21、根据目标无人机用户的发射功率预设值，对窃听信道的信道容量进行泰勒展开，获取窃听信道的信道容量在发射功率初始值的泰勒表达式，并确定待求解的第一问题和第二问题；
S22、获取目标无人机用户的发射功率初始值、保密速率初始值、第一辅助变量的初始值及第二辅助变量的初始值；
S23、通过迭代求解第一问题对发射功率的初始值和第一辅助变量的初始值进行更新，以及通过求解第二问题对第二辅助变量的初始值进行更新；
S24、根据更新后的发射功率、更新后的第一辅助变量和更新后的第二辅助变量对保密速率的初始值进行更新，获取当前保密速率，在当前保密速率与前一次的保密速率的比值小于预设值的情况下，停止迭代，以获取目标无人机用户的最优功率分配方案。
对于每个无人机用户，假设其可能占据任意一个信道，对每种可能情况我们可以单独优化这一信道上的功率分配情况。例如，假设无人机用户k占据信道l，我们可以单独优化无人机用户k在信道l上的功率分配方案，即优化pl＝[p1l,p2l,…,pNl]，此时优化问题(P1)如公式(6)所示：
Figure BDA0002929821360000121
假设
Figure BDA0002929821360000122
在目标无人机用户k的发射功率预设值
Figure BDA0002929821360000123
处的一阶泰勒展开表达式为
Figure BDA0002929821360000124
可以通过迭代求解以下两个问题第一问题(P2)，第二问题(P3)来求解上述优化问题(P1)：
求解P2如公式(7)所示：
Figure BDA0002929821360000125
求解P3如公式(8)所示：
Figure BDA0002929821360000126
具体地，初始化，任意找出一个初始的可行解
Figure BDA0002929821360000127
并将其作为目标无人机用户k的发射功率初始值，计算保密速率初始值
Figure BDA0002929821360000128
及对应的第一辅助变量的初始值
Figure BDA0002929821360000129
和第二辅助变量的初始值
Figure BDA00029298213600001210
令初始迭代次数为t＝0，每迭代一次后，令t＝t+1，通过求解问题P2更新
Figure BDA0002929821360000131
以及
Figure BDA0002929821360000132
通过求解问题P3更新
Figure BDA0002929821360000133
根据更新后的发射功率
Figure BDA0002929821360000134
更新后的第一辅助变量
Figure BDA0002929821360000135
和更新后的第二辅助变量
Figure BDA0002929821360000136
对保密速率的初始值
Figure BDA0002929821360000137
进行更新，计算当前保密速率
Figure BDA0002929821360000138
当前保密速率
Figure BDA0002929821360000139
与前一次的保密速率
Figure BDA00029298213600001310
的比值小于预设值(如公式(9)所示)的情况下，停止迭代，并输出目标无人机用户k在信道l的最优功率分配方案。
Figure BDA00029298213600001311
其中，1+ε为预设值，更具体的，ε＝1e-4。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，通过将求解目标无人机用户在目标信道的最优功率分配方案，拆解为第一问题和第二问题，通过求解第一问题和第二问题进而求解出目标无人机用户在目标信道的在最优功率分配方案，降低了计算的复杂度。
进一步地，在一个实施例中，步骤S2中通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案，可以具体包括：
S24、分别以目标信道和目标无人机用户作为点集，构建二分图，根据目标无人机用户连接的边的权重的最大值，获取二分图中目标无人机用户的点集中点的第一标号值；
S25、获取二分图中目标信道的点集中的点的第二标号值，以及获取预设最大权重匹配集合；
S26、从目标无人机用户的点集中的第一个顶点开始，基于深度优先搜索算法在相等子图中搜索增广路径，并根据搜索结果对预设最大权重匹配集合进行更新；
S27、根据更新后的预设最大权重匹配集合确定目标信道的最优分配方案；
其中，二分图的边用于表征将目标信道分配给目标无人机用户；
相等子图为权重等于第一标号值与第二标号值之和的边所构成的子图。
进一步地，在一个实施例中，步骤S26中根据搜索结果对预设最大权重匹配集合进行更新，可以具体包括：
S261、若搜索到增广路径，则将搜索到的增广路径的匹配边与未匹配边交换，以对预设最大权重匹配集合进行更新，并在满足预设条件时，停止更新，获取更新后的最大权重匹配集合；
S262、若未搜索到增广路径，则获取搜索过程中遍历的顶点集合，根据遍历的顶点集合对第一标号值、第二标号值及相等子图进行更新。
具体地，对于每个无人机用户，假设其可能占据任意信道，一共有N×N＝N2种情况。对于每种情况，通过求解问题P1，可以获得这种情况下单信道中最优的功率分配方案，并计算出对应的保密速率。构建一个二分图，二分图的两个点集分别代表着无人机用户与信道，它们之间的边代表该无人机用户占据该信道，边的权重即为通过求解问题(P1)获得的最大的保密速率。通过KM算法可以求解出上述二分图的最大权重匹配集合，该最大权重匹配集合就对应了信道的最优分配方案。
KM算法的具体步骤如下：
A1、对二分图中的每个点设置标号，代表无人机用户的点集(记作A)，无人机用户点集中的点的第一标号(记作Ai)设置为与其连接的边的权重的最大值；代表信道的节点集(记作B)，信道的点集中的点的第二标号(记作Bj)设置为0，A，B中的点分别用x，y表示。令n＝0，初始化最大权重匹配集合
Figure BDA0002929821360000141
A2、从无人机用户的点集中的顶点xn出发，在相等子图(满足权重等于其两定点标号之和的边所构成的子图)中用深度优先搜索算法搜索增广路径(即起点与终点均为非饱和点，且匹配的边与未匹配的边交替出现的路径)，记录搜索过程中遍历到的所有顶点，如果搜索到增广路径，则将增广路径中的匹配边与未匹配边交换，更新最大权重匹配集合M，令n＝n+1，若n>N，则M为最大权重匹配集合，结束循环，并输出最大权重匹配集合M。
A3、若未搜索到增广路径，则获取搜索过程中遍历的顶点集合，根据遍历的顶点集合对第一标号值、第二标号值及相等子图进行更新，具体地：设搜索遍历的所有点的集合为S，令d＝min{Ai+Bj-wij}，其中
Figure BDA0002929821360000151
wij代表边<xi,yj>的权重，更新点的标号：
Figure BDA0002929821360000152
令Ai＝Ai-d，
Figure BDA0002929821360000153
令Bj＝Bj+d，更新相等子图，返回步骤A2。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，通过KM算法求解以无人机用户与信道构建二分图，进而求解信道的最优分配方案，利用图匹配算法，将原优化问题进行分解，解除了信道分配方案与功率分配方案之间的耦合，提高了优化问题的求解效率。
以下结合实例进一步说明本发明所提供的方案较已有的单独优化功率分配的方案能够有效利用用户的位置信息，显著提升系统的安全性能。
假设在如图1所示的卫星无人机协同覆盖网络下，卫星无人机协同覆盖网络的载波频率为2.4GHz，无人机均匀分布在半径为1000m的圆中，无人机的高度均为2000m，无人机用户和卫星用户均匀分布在半径为5000m的圆中，窃听者均匀分布在内径为5000m，外径为6000m的圆环中，噪声功率为-107dBm。
在上述仿真条件下，本实例对用户最大功率为-5dBW到20dBW区间，以5dBW为间隔逐点进行仿真(此时固定干扰阈值为-70dBm)，以及对干扰阈值为-80dBm到-55dBm，以5dBm为间隔逐点进行仿真(此时固定用户最大功率为15dBW)，得到对应的保密速率，并将本方案的性能与现有的只优化功率并随机分配信道方案以及等功率分配与随机分配信道方案进行比较。
比较结果如图3、图4所示，圆形所标示的曲线为本方案的仿真结果，可以看出该方案能够有效提升保密速率。
下面对本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置进行描述，下文描述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置与上文描述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法可相互对应参照。
图5是本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置的结构示意图，如图5所示，包括：保密速率获取模块510、分配方案获取模块511以及安全通信模块512；
保密速率获取模块510，用于根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
分配方案获取模块511，用于根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；
安全通信模块512，用于基于最优功率分配方案和最优分配方案进行卫星与目标无人机用户的通信。
本发明提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置，通过合理的信道分配，解决了现有技术中因无人机与卫星共享频谱资源，导致无人机用户对卫星用户产生干扰的问题，确保无人机基站对卫星用户的干扰尽可能小，同时通过合理的功率分配，使得卫星与无人机用户通信时能够获得最大的保密速率，以确保卫星无人机协同覆盖网络通信的安全性。
图6是本发明提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(communication interface)611、存储器(memory)612和总线(bus)613，其中，处理器610，通信接口611，存储器612通过总线613完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器612中的逻辑指令，以执行如下方法：
根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；
基于最优功率分配方案和最优分配方案进行卫星与目标无人机用户的通信。
此外，上述的存储器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电源屏(可以是个人计算机，服务器，或者网络电源屏等)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。
进一步地，本发明公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，例如包括：
根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；
基于最优功率分配方案和最优分配方案进行卫星与目标无人机用户的通信。
另一方面，本发明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卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，例如包括：
根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
根据保密速率及约束条件对目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取目标信道的最优分配方案；
基于最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与目标无人机用户的通信。
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电源屏(可以是个人计算机，服务器，或者网络电源屏等)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)

1.一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，包括：
根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案；
基于所述最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与所述目标无人机用户的通信；
所述通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案，包括：
分别以所述目标信道和所述目标无人机用户作为点集，构建二分图，根据所述目标无人机用户连接的边的权重的最大值，获取所述二分图中所述目标无人机用户的点集中点的第一标号值；
获取所述二分图中所述目标信道的点集中的点的第二标号值，以及获取预设最大权重匹配集合；
从所述目标无人机用户的点集中的第一个顶点开始，基于深度优先搜索算法在相等子图中搜索增广路径，并根据搜索结果对所述预设最大权重匹配集合进行更新；
根据更新后的预设最大权重匹配集合确定所述目标信道的最优分配方案；
其中，所述二分图的边用于表征将所述目标信道分配给所述目标无人机用户；
所述相等子图为所述权重等于所述第一标号值与第二标号值之和的边所构成的子图。
2.根据权利要求1所述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，所述目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量通过如下方式获取：
基于随机矩阵理论获取第一辅助变量和第二辅助变量；
根据所述第一辅助变量、无人机到目标无人机用户的大尺度信道增益、无人机在目标信道上的功率、系统的噪声方差和无人机数量，获取所述目标无人机用户的信道容量的第一预设决策变量；
根据所述第二辅助变量、无人机到窃听者的大尺度信道增益、所述无人机在目标信道上的功率、所述系统的噪声方差和所述无人机数量，获取所述窃听信道的信道容量的第二预设决策变量；
根据所述第一预设决策变量及所述第二预设决策变量，确定所述目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量。
3.根据权利要求2所述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，所述约束条件通过如下方式确定：
根据所有无人机在目标信道上的功率及分配给所述目标无人机用户的最大发射功率，获取功率约束条件；
根据所述所有无人机在目标信道上的功率、所有无人机到目标卫星用户的大尺度信道增益及目标卫星用户收到的最大干扰强度，获取干扰强度约束条件；
其中，所述约束条件包括所述功率约束条件和所述干扰强度约束条件。
4.根据权利要求3所述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，所述根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道通信的保密速率，包括：
获取第一预设决策变量的最小值及第二预设决策变量的最小值；
根据所述第一预设决策变量的最小值与所述第二预设决策变量的最小值的差值，获取所述目标信道的保密速率。
5.根据权利要求1所述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，所述根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，包括：
根据所述目标无人机用户的发射功率预设值，对所述窃听信道的信道容量进行泰勒展开，获取所述窃听信道的信道容量在所述发射功率初始值的泰勒表达式，并确定待求解的第一问题和第二问题；
获取所述目标无人机用户的发射功率初始值、保密速率初始值、第一辅助变量的初始值及第二辅助变量的初始值；
通过迭代求解所述第一问题对所述发射功率的初始值和所述第一辅助变量的初始值进行更新，以及通过求解所述第二问题对所述第二辅助变量的初始值进行更新；
根据更新后的发射功率、更新后的第一辅助变量和更新后的第二辅助变量对所述保密速率的初始值进行更新，获取当前保密速率，在所述当前保密速率与前一次的保密速率的比值小于预设值的情况下，停止迭代，以获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案。
6.根据权利要求1所述的卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法，其特征在于，所述根据搜索结果对所述预设最大权重匹配集合进行更新，包括：
若搜索到所述增广路径，则将搜索到的增广路径的匹配边与未匹配边交换，以对所述预设最大权重匹配集合进行更新，并在满足预设条件时，停止更新，获取更新后的最大权重匹配集合；
若未搜索到所述增广路径，则获取搜索过程中遍历的顶点集合，根据所述遍历的顶点集合对所述第一标号值、所述第二标号值及所述相等子图进行更新。
7.一种卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信装置，其特征在于，包括：保密速率获取模块、分配方案获取模块以及安全通信模块；
所述保密速率获取模块，用于根据目标无人机用户的信道容量和窃听信道的信道容量，获取目标无人机用户在目标信道的保密速率；
所述分配方案获取模块，用于根据所述保密速率及约束条件对所述目标无人机用户的功率分配方案进行优化，获取所述目标无人机用户的最优功率分配方案，并通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案；
所述安全通信模块，用于基于所述最优功率分配方案和所述最优分配方案进行卫星与所述目标无人机用户的通信；
所述通过求解最大保密速率获取所述目标信道的最优分配方案，包括：
分别以所述目标信道和所述目标无人机用户作为点集，构建二分图，根据所述目标无人机用户连接的边的权重的最大值，获取所述二分图中所述目标无人机用户的点集中点的第一标号值；
获取所述二分图中所述目标信道的点集中的点的第二标号值，以及获取预设最大权重匹配集合；
从所述目标无人机用户的点集中的第一个顶点开始，基于深度优先搜索算法在相等子图中搜索增广路径，并根据搜索结果对所述预设最大权重匹配集合进行更新；
根据更新后的预设最大权重匹配集合确定所述目标信道的最优分配方案；
其中，所述二分图的边用于表征将所述目标信道分配给所述目标无人机用户；
所述相等子图为所述权重等于所述第一标号值与第二标号值之和的边所构成的子图。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述卫星无人机协同覆盖网络中的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，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法的步骤。
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