CN113300755A - 一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，属于安全通信技术领域，其先获取信源、信宿、中继无人机、干扰无人机及窃听者的位置信息，然后在预设约束条件下，根据获取的位置信息，计算获得中继无人机优化飞行路径、干扰无人机优化飞行路径，再控制中继无人机和干扰无人机按优化飞行路径飞行，飞行过程中，中继无人机先接收从信源传输来的数据信息，然后将数据信息传递给信宿，同时干扰无人机接近窃听者所在位置，实现信息安全通信。本发明提出一种基于中继无人机与协作干扰无人机飞行轨迹联合优化方案，该优化方案能提高系统的保密速率，有效降低非法窃听者的窃听性能，保障通信的安全性。

Description

一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法

技术领域

本发明涉及安全通信技术领域，具体的涉及一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法。

背景技术

无人机通信不仅可以提供低延迟和可靠的指挥控制，而且还能提供用于特殊应用的高速数据传输。因此，在各类行业中，无人机通信已经受到了越来越多人的关注。然而，由于无线信道的开放特性以及空-地信道的视距特性，无人机通信比传统地面通信更容易遭受到恶意窃听者的窃听。

现有的基于密钥加密的方式来实现通信安全是建立在窃听者在未知密钥且无法在有限时间内完成解密的假设下，但是，随着计算机技术的不断发展，将导致现有的基于密码学的安全通信技术面临着巨大挑战，因此，人们开始把目光转向物理层安全通信技术。

现有关于无人机中继通信物理层安全问题的研究主要集中在优化单个无人机中继的发射功率或飞行轨迹来最大化通信系统的保密容量，缺少通过协作干扰无人机来提升通信系统安全性能的研究。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其通过联合优化中继无人机及协作干扰无人机的飞行轨迹来提高系统的保密速率，能有效降低非法窃听者的窃听性能，保障通信的安全性，从而能够解决现有技术中的问题。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，包括如下步骤：

S1、控制中心分别获取信源位置信息、信宿位置信息、中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息，并通过中继无人机和/或干扰无人机上装备的摄像机或小型雷达侦测到窃听者的位置信息；

S2、在预设约束条件下，根据S1中获取的所述信源位置信息、信宿位置信息、中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息及窃听者的位置信息，计算获得中继无人机优化飞行路径、干扰无人机优化飞行路径；

S3、将S2中求得的所述中继无人机飞行路径发送至中继无人机；将所述干扰无人机飞行路径发送至干扰端，以使中继无人机按照所述中继无人机飞行路径进入飞行状态，同时使干扰无人机按照所述干扰无人机飞行路径进入飞行状态；

S4、在S3中所述飞行过程中，中继无人机先接收从信源传输来的数据信息，然后将数据信息传递给信宿，同时干扰无人机接近窃听者所在位置，实现信息安全通信。

进一步地，所述S1中的中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息分别包括各自的起飞位置、固定飞行高度及降落位置。

进一步地，所述S2中的预设约束条件包括：

A.中继无人机和干扰无人机均具有最大飞行速度限制；

B.中继无人机需要接收到信源发送的信号，然后进行译码后存入缓存，之后将缓存中的信息再转发给信宿，即中继无人机通信必须满足信息因果性约束。

进一步地，所述S2中计算的过程包括如下步骤：

(1)在无人机飞行轨迹受限条件下，构建最大化系统保密速率的联合优化问题；

(2)将无法直接求解的非凸联合优化原问题拆分为中继无人机飞行轨迹优化与干扰无人机飞行轨迹优化两个子问题；

(3)采用连续凸逼近法将子问题转化为可求解的凸问题；

(4)设计迭代算法给出联合优化问题的数值解。

更进一步地，所述步骤(4)中的迭代算法包括如下步骤：

(4-1)给定精度ε，取接近零的正值，设置迭代次数初值m＝0，最大迭代次数为m_max，初始化

及

其中

的初值为匀速直线运动轨迹；

(4-2)将

和

作为第m次迭代获得的Q_R和Q_J值；根据Q_R和Q_J的定义，即，

以及相关计算公式计算出中继无人机与信源、信宿及窃听者之间的距离和干扰无人机与信宿及窃听者之间的距离，然后，再根据中继无人机、干扰无人机的固定飞行高度以及相关计算公式计算出信源到中继无人机、中继无人机到信宿、中继无人机到窃听者、干扰无人机到信宿、干扰无人机到窃听者的链路的信道功率增益；最后，根据系统的保密速率表达式计算出R_sec，记为Δ；

(4-3)

(4-4)使用

和

求解问题(4-34)，将其求得的解记为

(4-5)使用

和

求解问题(4-44)，将其求得的解记为

(4-6)将

和

作为第m+1次迭代获得的Q_R和Q_J值，根据Q_R和Q_J的定义，即，

以及相关计算公式计算出中继无人机与信源、信宿、窃听者之间的距离和干扰无人机与信宿、窃听者之间的距离，然后，再根据中继无人机、干扰无人机的固定飞行高度以及相关计算公式计算出信源到中继无人机、中继无人机到信宿、中继无人机到窃听者、干扰无人机到信宿、干扰无人机到窃听者的链路的信道功率增益；最后，根据系统的保密速率计算出R_sec，记为

(4-7)若

或m＞m_max，则跳到步骤8；否则令

m＝m+1，返回步骤3；

(4-8)将

和

作为最优飞行轨迹

和

迭代结束。

3.有益效果

本发明先获取相关人、物的位置信息，然后在预设约束条件下，根据获取的位置信息，计算获得中继无人机飞行路径、干扰无人机飞行路径，再控制中继无人机和干扰无人机按优化飞行路径飞行，即能实现安全通信。则本发明利用无人机具备易部署以及机动灵活的特性，提出一种基于中继无人机与协作干扰无人机飞行轨迹联合优化方案，该优化方案采用连续凸逼近的方法，通过联合优化中继无人机及协作干扰无人机的飞行轨迹来提高系统的保密速率，即在中继无人机传递信息的同时干扰无人机接近窃听者所在位置干扰窃听行为，能有效降低非法窃听者的窃听性能，保障通信的安全性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中无人机中继通信系统模型的示意图；

图2为实施例的仿真实验中联合优化模式下无人机的飞行轨迹；

图3为实施例的仿真实验中联合优化模式下中继无人机与各通信节点间的距离；

图4为实施例的仿真实验中联合优化模式下干扰无人机与信宿及窃听者的距离；

图5为仿真实验与各对比例中在不同飞行时间下的保密速率；

图6为仿真实验与各对比例中在不同平均发射功率下的保密速率。

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。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例

一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，包括如下步骤：

一、建立系统模型

图1给出了无人机中继通信系统模型，包括一个信源节点S、一个信宿节点D、中继无人机节点R、干扰无人机节点J，以及一个切窃听节点E，其中中继无人机R(以下用R表示)装备有多根天线，R采用解码转发的方式将从信源S处接收到的信息再转发给信宿节点D，干扰无人机J广播干扰信号，窃听节点E则始终采取被动窃听的方式对中继无人机R进行窃听。假设由于地面条件的限制，S与D、E之间的直接通信被完全阻断。不失一般性，假设S、D和E的水平坐标分别为：q_S＝[0,0]^T、q_D＝[L,0]^T和q_E＝[x_E,y_E]^T，其中L为信源S与信宿D之间的距离，x_E和y_E表示窃听节点在水平坐标系中的横、纵坐标值。假定无人机R和J已知信源S及信宿D的位置，并可通过其装备的摄像机或小型雷达侦测到窃听者E的位置，即，中继无人机R与干扰无人机J能够获知x_E和y_E。

二、问题描述

这里不考虑无人机的起飞与降落过程，假设中继无人机R的起飞位置及降落的水平坐标分别为q_RI＝[x_RI,y_RI]^T和q_RF＝[x_RF,y_RF]^T，干扰无人机J的起始位置及终止位置的平面坐标分别为q_JI＝[x_JI,y_JI]^T和q_JF＝[x_JF,y_JF]^T，无人机R和J的飞行时间为T。假定无人机R和J飞行在固定高度H_R、H_J上，为保证无人机之间不发生碰撞，应当有H_R≠H_J。在t(0≤t≤T)时刻，无人机R、J的平面坐标可表示为q_R(t)＝[x_R(t),y_R(t)]^T、q_J(t)＝[x_J(t),y_J(t)]^T。为方便表述，将飞行时间拆分为N个大小相等的时隙δ，即T＝N·δ。当δ足够小时，可认为每个时隙内无人机的位置固定不变。因此无人机R、J在第n个时隙起始处的平面坐标可分别表示为q_R(n)＝[x_R[(n-1)δ],y_R[(n-1)δ]]^T、q_J(n)＝[x_J[(n-1)δ],y_J[(n-1)δ]]^T，n∈{1,2,...,N}。另外，无人机R和J在第n个时隙的结束位置分别到达终止位置q_RF和q_JF，因此，假设q_R(N+1)＝q_RF，q_J(N+1)＝q_JF。另外，无人机R和J均具有最大飞行速度限制，假设分别为V_Rmax和V_Jmax，则每一时隙无人机R和J可飞行的最大距离分别为Z_R＝V_Rmax·δ，Z_J＝V_Jmax·δ。因此，对于无人机移动性的约束可表示为：

||q_R(1)-q_RI||≤Z_R (1)

||q_R(n)-q_R(n-1)||≤Z_R,(n＝2,3,…,N) (2)

||q_RF-q_R(N)||≤Z_R (3)

||q_J(1)-q_JI||≤Z_J (4)

||q_J(n)-q_J(n-1)||≤Z_J,(n＝2,3,…,N) (5)

||q_JF-q_J(N)||≤Z_J (6)

对于时隙n，中继无人机R与信源S、信宿D及窃听者E的距离分别为：

对于时隙n，干扰无人机J与信宿D及窃听者E的距离分别为：

无人机R、J均为旋翼无人机，其中中继无人机R装备有多根天线且具备足够大的数据缓存，接收和转发信息在不同的频段进行，而协作干扰无人机J装备有单根天线，可在无人机R与信宿D的通信频段广播干扰信号。由于中继无人机需要接收到信源发送的信号，然后进行译码后存入缓存，之后将缓存中的信息再转发给信宿，因此无人机中继通信必须满足信息因果性约束。

假设无人机移动所造成的多普勒频移可被完全消除，因此，时隙n处S-R(节点S到节点R)、R-D(节点R到节点D)、R-E(节点R到节点E)、J-D(节点J到节点D)、J-E(节点J到节点E)链路的信道功率增益可分别表示为：

其中β₀为单位距离的信道功率增益。

假设P_S[n]、P_R[n]、P_J[n]为信源S、无人机R及无人机J在第n个时隙的发射功率，并且在整个通信过程中发射功率保持不变。对于频分双工中继系统，由信息因果性约束，当n＝1时，无人机此时只能接收源节点S发送的信息；当n＝N时，信源S应该停止发送信息给中继无人机R。由此，在第n个时隙，信源S与中继无人机R间以及中继无人机R与信宿D和窃听者E之间的链路可达速率可分别表示为：

其中

σ²为噪声功率。

对于中继通信，无人机R必须先从信源S处接收信息，然后才能将信息转发给信宿D。因此，无人机R必须满足信息因果性约束，即

这里主要考虑R-D链路通信的安全性，因此，根据式(4-18)和式(4-19)，系统的保密速率可表示为：

R_sec＝[R_RD[n]-R_RE[n]]⁺ (21)

其中[x]⁺＝max(x,0)。假设中继无人机R与干扰无人机J的飞行轨迹分别为

和

通过优化无人机R与无人机J的飞行轨迹来实现保密速率的最大化，该问题可表示为：

s.t.||q_R(1)-q_RI||≤Z_R (22b)

||q_R(n)-q_R(n-1)||≤Z_R(n＝2...N) (22c)

||q_RF-q_R(N)||≤Z_R (22d)

||q_J(1)-q_JI||≤Z_J (22e)

||q_J(n)-q_J(n-1)||≤Z_J(n＝2...N) (22f)

||q_JF-q_J(N)||≤Z_J (22g)

对于问题(22)，即式(22a)、式(22b)、式(22c)、式(22d)、式(22e)、式(22f)、式(22g)和式(22h)组成的优化问题，保密速率是关于Q_R、Q_J的非凸函数，难以获得解析解。下面，将采用递进式方法将问题(22)拆分为关于中继无人机R和干扰无人机J飞行轨迹优化的两个子问题，进一步采用连续凸逼近法将子问题转化为可求解的凸问题，并设计迭代算法来解联合优化问题，实现保密速率最大化。

三、优化问题并求解

首先，将问题(22)拆分为两个递进式子问题：1)在给定干扰无人机J飞行轨迹Q_J情况下，对中继无人机R的飞行轨迹Q_R进行优化；2)在给定中继无人机R飞行轨迹Q_R情况下，对干扰无人机J的飞行轨迹Q_J进行优化。

3-1、中继无人机飞行轨迹的优化

假设在第m次迭代后，干扰无人机飞行轨迹为

中继无人机飞行轨迹为

下面设计第m+1次迭代对中继无人机飞行轨迹Q_R进行优化。为表述方便，令

根据

和

可得第m次迭代下的u_SR[n]、u_RD[n]、u_JD[n]和u_JE[n]的值，分别表示为：

和

这样，中继无人机飞行轨迹优化问题可表述为：

s.t.||q_R(1)-q_RI||≤Z_R (23b)

||q_R(n)-q_R(n-1)||≤Z_R(n＝2,…,N) (23c)

||q_RF-q_R(N)||≤Z_R (23d)

其中，

问题(23)，即式(23a)、式(23b)、式(23c)、式(23d)和式(23e)组成的优化问题，目标函数中的

均是关于q_R[n]的凸函数，因此目标函数为两个凸函数之差，即凸函数与凹函数之和。而对于最大化问题而言，其目标函数应为凸函数，为此采取连续凸逼近的方法将目标函数转化为凸函数。此外，对于凸优化问题而言，其约束条件也应为凸函数，因此也需将问题(23)中的信息因果性约束转化为凸函数。下面分别对问题(23)中的目标函数及信息因果性约束进行处理。

对于式(23a)，由于

是关于轨迹q_R[n]的非凸函数，为将其转化为凸函数，对其在

处的进行一阶泰勒展开，可得如下关系：

其中

因此，式(23a)可转化为：

由于式(25)任然不满足凸优化工具箱CVX的使用规则，需对u_RE[n]在

处进行泰勒展开并取其下界，可得：

这里

表示第m次迭代后的q_R[n]。

进而可得R_Q2[n]的上界：

进一步，式(23a)可转化为：

这里

分别由式(24)和式(27)给出。

对于非凸的信息因果性约束式(23e)，对R_Q2[j]在

处的进行一阶泰勒展开，可得如下关系：

其中

进一步，信息因果性约束可转化为：

由于式(30)仍然不满足凸优化工具箱CVX的使用规则，需对u_RD[j]在

处进行泰勒展并取其下界，可得：

进而可得R_Q1[j]的上界：

进一步，信息因果性约束可转化为：

这里

分别由式(29)、式(32)给出。

这样，问题(23)可转化为：

s.t.||q_R(1)-q_RI||≤Z_R (34b)

||q_R(n)-q_R(n-1)||≤Z_R(n＝2...N) (34c)

||q_RF-q_R(N)||≤Z_R (34d)

对于问题(34)，即式(34a)、式(34b)、式(34c)、式(34d)和式(34e)组成的优化问题，目标函数为凸函数且所有的约束均为凸函数，因此可通过凸优化工具箱求解。

3-2、协作干扰无人机飞行轨迹的优化

下面，在已获得

(第m+1次迭代后获得Q_R的值)和

的情况下，设计第m+1次迭代对干扰无人机飞行轨迹Q_J进行优化。此时，优化问题可表述为：

s.t.||q_J(1)-q_JI||≤Z_J (35b)

||q_J(n)-q_J(n-1)||≤Z_J(n＝2...N) (35c)

||q_JF-q_J(N)||≤Z_J (35d)

其中

和

分别为第m+1次迭代后获得的u_RD[n]和u_RE[n]值。

问题(35)，即式(35a)、式(35b)、式(35c)和式(35c)组成的优化问题，目标函数中的

和

是关于q_J[n]的凸函数(convex)，因此目标函数为两个凸函数之差，因此目标函数不是凸函数。为此采取连续凸逼近的方法将目标函数转化为凸函数。下面对问题(35)的目标函数进行凸优化处理。

首先，对

的第一项

在

处进行一阶泰勒展开，可得如下关系：

接着，对

第二项

在

处进行一阶泰勒展开，可得：

进而可以得到

的下界：

这样，式(35a)可转化为：

同样，由于式(39)仍不满足凸优化工具箱CVX的使用规则，需分别对u_JE[n]和u_JD[n]在

处进行泰勒展并取它们的下界，可得：

这里，

表示第m次迭代后的q_J[n]的值。进而可得R_Q2[n]的上界：

其中

和

分别由式(40)和式(41)给出。

进一步，式(35a)可转化为：

这里

分别由式(38)、式(42)给出。

因此，问题(35)可转化为：

s.t.||q_J(1)-q_JI||≤Z_J (44b)

||q_J(n)-q_J(n-1)||≤Z_J(n＝2...N) (44c)

||q_JF-q_J(N)||≤Z_J (44d)

问题(44)，即式(44a)、式(44b)、式(44c)和式(44d)组成的优化问题，目标函数为凸函数且所有的约束均为凸函数，因此可通过凸优化工具箱求解。

综上，可得基于发射功率与飞行轨迹联合优化的迭代算法，该算法的具体流程如下：

步骤1：给定精度ε(接近零的正值)，设置迭代次数初值m＝0，最大迭代次数为m_max，初始化

及

其中

的初值为匀速直线运动轨迹；

步骤2：将

和

作为第m次迭代获得的Q_R和Q_J值；根据Q_R和Q_J的定义，即，

以及式(7)、式(8)、式(9)、式(10)和式(11)计算出d_SR[n]、d_RD[n]、d_RE[n]、d_JD[n]和d_JE[n]，然后，再根据H_R和H_J以及式(12)、式(13)、式(14)、式(15)和式(16)计算出h_SR[n]、h_RD[n]、h_RE[n]、h_JD[n]和h_JE[n]；最后，根据式(21)计算出R_sec，记为Δ；

步骤3：

步骤4：使用

和

求解问题(4-34)，将其求得的解记为

步骤5：使用

和

求解问题(4-44)，将其求得的解记为

步骤6：将

和

作为第m+1次迭代获得的的Q_R和Q_J值，根据的Q_R和Q_J的定义，即，

以及式(7)、式(8)、式(9)、式(10)和式(11)计算出d_SR[n]、d_RD[n]、d_RE[n]、d_JD[n]和d_JE[n]，然后，再根据H_R和H_J以及式(12)、式(13)、式(14)、式(15)和式(16)计算出h_SR[n]、h_RD[n]、h_RE[n]、h_JD[n]和h_JE[n]；最后，根据式(21)计算出R_sec，记为

步骤7：若

或m＞m_max，则跳到步骤8；否则令

m＝m+1，返回步骤3；

步骤8：将

和

作为最优飞行轨迹

和

迭代结束。

下面通过仿真实验验证所提发射功率及飞行轨迹联合优化方案的性能，仿真环境为matlab R2016a，cvx版本为2.1。具体仿真参数如下表1所示。

表1仿真参数表

无人机能够发现窃听者E的坐标为(1500,0)，这里我们讨论了R初末位置分别为q_RI＝(0,200)、q_RF＝(2000,200)，J初末位置分别为及q_JI＝(0,-200)、q_JF＝(2000,-200)情况下无人机中继通信系统的保密性能。

图2展示了飞行时间T＝170s时平面坐标下不同飞行方式下无人机的飞行轨迹。图2中，对于联合优化下的飞行轨迹，为满足信息因果性，中继无人机R首先会飞往信源S，到达S的上空后在S上空盘旋，此时S与R之间的距离最小，信道状态最佳，信源S会在满足平均发射功率约束下以尽可能大的发射功率向R传输数据，随后R会在尽量远离E的情况下向信宿D飞去，到达D的上空后盘旋，最后飞往终止位置。而干扰无人机一开始便朝着E飞去，为降低对R-D链路的影响，无人机J在靠近E的位置盘旋，为满足初末位置约束，J会在尽可能避免干扰D的情况下飞向终止位置。

图3和图4分别展示了在T＝170s情况下联合优化模式下中继无人机与干扰无人机与各通信节点间距离的变化曲线。在图3中，为满足信息因果性约束，中继无人机首先以V_max飞往信源S，经过10s后抵达S上方，随后速度降为0，无人机悬停在S上方，此时中继无人机与信源的距离便是无人机的飞行高度，这时的中继无人机与信源间的信道容量达到最大值，之后无人机开始向信宿飞去，无人机与信宿间的距离开始减小直至无人机飞至信宿上方并在信宿上空盘旋以转发信息，最后中继无人机飞至终止位置。在图4中，为在对窃听者干扰的同时降低对信宿的影响，在靠近终止位置之前，干扰无人机与窃听者的距离始终小于无人机与信宿的距离。当干扰无人机靠近窃听者时，无人机会在E附近盘旋以最大限度的干扰窃听并降低对信宿的影响。最后由于终止位置更靠近信宿，为满足飞行时间约束，因此在最后的飞行时间中无人机与信宿的距离会小于无人机与窃听者的距离。

对比例1

对中继无人机进行轨迹优化，干扰无人机匀速直线飞行。

其它同实施例。

对比例2

对干扰无人机进行轨迹优化，中继无人机匀速直线飞行。

其它同实施例。

对比例3

中继无人机与干扰无人机都均匀速直线飞行。

其它同实施例。

对比例4

只存在中继无人机并对其轨迹进行优化。

其它同实施例。

图5给出了平均发射功率为0dBm时，不同飞行时间下的保密速率。由图5可见双无人机联合优化方案始终优于其他四种飞行方案，而双无人机匀速飞行方案的保密速率最低，这是由于虽然飞行时间增加，但其飞行路程并未发生改变，路程中保密速率为0所占的比值也并未发生改变。而轨迹优化方案飞行路程随时间的增大而增大，路程中保密速率不为0所占的比值也在增加，能够在远离E的情况下接收发更多的信息，因此保密速率会随时间的增加而增大。同时可以看到，中继无人机R优化方案下的保密速率远大于干扰无人机J的优化方案，由此可知中继无人机对保密速率的影响是要远大于干扰无人机对保密速率的影响。

图6给出飞行时间T＝170s时不同平均发射功率下的保密速率。由图6可见，对于存在功率优化情况下的单中继无人机优化方案，其保密速率随平均发射功率的增大而增大，对于双无人机轨迹联合优化方案，其保密速率是一直优于两种单无人机轨迹优化方案及双无人机直线飞行方案的；但随着平均发射功率的不断增大，双无人机轨迹联合优化方案的保密速率开始低于只有中继无人机轨迹优化的方案，这是因为随着平均发射功率的不断增大，信宿接收到的干扰信号也在不断增大，过大的干扰信号最终导致了保密速率的下降。对于双无人机均直线飞行的方案，随着平均发射功率的增大，保密速率先增大后减小，这也是由于过大的干扰信号影响了信宿接收中继无人机转发的信号，导致信宿接收到的信息中有效信息所占比重降低。

由上述内容可知，本发明提出一种最大化保密速率下界的优化方案，该优化方案采用连续凸逼近的方法，通过联合优化中继无人机及协作干扰无人机的飞行轨迹来提高系统的保密速率。仿真结果表明，在联合优化飞行方案中，中继无人机首先会快速飞往信源并在信源上空盘旋，之后中继无人机快速向信宿飞去并在信宿上空盘旋，最后飞往终止位置；协作干扰无人机会快速向窃听者位置飞去，在尽可能远离信宿的情况下向窃听者靠拢。通过与双无人机匀速直线飞行、只有中继无人机轨迹优化和只有干扰无人机轨迹优化方案的比较可知，当平均发射功率较小时，本发明所提供的联合优化方案具有更高的安全性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其的限制；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 (5)

1.一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制中心分别获取信源位置信息、信宿位置信息、中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息，并通过中继无人机和/或干扰无人机上装备的摄像机或小型雷达侦测到窃听者的位置信息；

S2、在预设约束条件下，根据S1中获取的所述信源位置信息、信宿位置信息、中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息及窃听者的位置信息，计算获得中继无人机优化飞行路径、干扰无人机优化飞行路径；

S3、将S2中求得的所述中继无人机飞行路径发送至中继无人机；将所述干扰无人机飞行路径发送至干扰端，以使中继无人机按照所述中继无人机飞行路径进入飞行状态，同时使干扰无人机按照所述干扰无人机飞行路径进入飞行状态；

S4、在S3中所述飞行过程中，中继无人机先接收从信源传输来的数据信息，然后将数据信息传递给信宿，同时干扰无人机接近窃听者所在位置，实现信息安全通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其特征在于，所述S1中的中继无人机位置信息、干扰无人机位置信息分别包括各自的起飞位置、固定飞行高度及降落位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其特征在于，所述S2中的预设约束条件包括：

A.中继无人机和干扰无人机均具有最大飞行速度限制；

B.中继无人机必须先接收信源发送的信号，然后才能将信息转发给信宿，即中继无人机通信必须满足信息因果性约束。

4.根据权利要求1所述的一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其特征在于，所述S2中计算的过程包括如下步骤：

(1)在无人机飞行轨迹受限条件下，构建最大化系统保密速率的联合优化问题；

(2)将无法直接求解的非凸联合优化原问题拆分为中继无人机飞行轨迹优化与干扰无人机飞行轨迹优化两个子问题；

(3)采用连续凸逼近法将子问题转化为可求解的凸问题；

(4)设计迭代算法给出联合优化问题的数值解。

5.根据权利要求4所述的一种基于协作干扰技术的无人机中继安全通信的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的迭代算法包括如下步骤：

(4-1)给定精度ε，取接近零的正值，设置迭代次数初值m＝0，最大迭代次数为m_max，初始化

及

其中

的初值为匀速直线运动轨迹；

(4-2)将

和

作为第m次迭代获得的Q_R和Q_J值；根据Q_R和Q_J的定义，即，

以及相关计算公式计算出中继无人机与信源、信宿及窃听者之间的距离和干扰无人机与信宿及窃听者之间的距离，然后，再根据中继无人机、干扰无人机的固定飞行高度以及相关计算公式计算出信源到中继无人机、中继无人机到信宿、中继无人机到窃听者、干扰无人机到信宿、干扰无人机到窃听者的链路的信道功率增益；最后，根据系统的保密速率表达式计算出R_sec，记为Δ；

(4-3)

(4-4)使用

和

求解问题(4-34)，将其求得的解记为

(4-5)使用

和

求解问题(4-44)，将其求得的解记为

(4-6)将

和

作为第m+1次迭代获得的Q_R和Q_J值，根据Q_R和Q_J的定义，即，

以及相关计算公式计算出中继无人机与信源、信宿、窃听者之间的距离和干扰无人机与信宿、窃听者之间的距离，然后，再根据中继无人机、干扰无人机的固定飞行高度以及相关计算公式计算出信源到中继无人机、中继无人机到信宿、中继无人机到窃听者、干扰无人机到信宿、干扰无人机到窃听者的链路的信道功率增益；最后，根据系统的保密速率计算出R_sec，记为

(4-7)若

或m＞m_max，则跳到步骤8；否则令

m＝m+1，返回步骤3；

(4-8)将

和

作为最优飞行轨迹

和

迭代结束。

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