CN117560677A - 一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法 - Google Patents

一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法，涉及电力通信技术领域，建立空中通信链路,采用多个源节点和多个目的节点作为地面通信节点对，每一个地面节点对均经由空中通信链路构成一个传输通道；构建地面节点对经由空中通信链路的传输通道模型，基于每个传输通道的传输损耗计算通道容量；构建空中通信链路相邻时刻中的无人机位置约束条件和功率增益，采用基于路径传输速率计算值的数据分配算法进行数据分配；根据选取待分配数据包的数据传输路径，将待发送数据拆分打包和数据包解析并整合；对出现解析错误的数据包进行检测和重传，实现了电力数据传输过程中对巡检数据和用户信息保护。

Description

一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法
技术领域
本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法。
背景技术
无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UAVs）具有体积小、成本低、可灵活部署等优点，逐渐成为许多国家在各个领域应用的重要工具。近年来，无人机在无线通信中发挥着越来越重要的作用，可以作为可移动空间基站或者移动中继协助通信，为用户建立信道质量较好的视距通信（Line-of-Sight, LoS）链路。然而，由于无线通信具有广播性，当窃听j节点存在时，UAV所协助的通信系统信息安全将会受到严重威胁。目前有关保证UAV通信信息安全的方法大多适用于源与目的节点是固定的通信场景，并未考虑节点移动的情况。然而在实际问题中，有许多情况是需要研究通信节点移动下的无人机通信信息安全问题。因此保证成对移动节点之间的安全通信在无线通信领域是一个富有挑战性且具有重要意义的课题。
在传统的多路并行传输系统中默认的薮据分配方法是循环数据分配算法。循环数据分配算法是源节点依次循环向每个路径发送数据包。然而,在不考虑带宽和延迟等因素的情况下,循环数据分配算法会产生大量的无序数据,通常会降低多路并行传输系统的性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法，包括如下步骤：
S1、使用巡检无人机和中继无人机建立空中通信链路,采用多个源节点和多个目的节点作为地面通信节点对，每一个地面节点对均经由空中通信链路构成一个传输通道；
S2、构建地面节点对经由空中通信链路的传输通道模型，基于每个传输通道的传输损耗计算通道容量；
S3、构建空中通信链路相邻时刻中的无人机位置约束条件和功率增益；
S4、在满足位置约束条件下，采用基于路径传输速率计算值的数据分配算法进行数据分配；
S5、根据选取待分配数据包的数据传输路径，源节点将待发送数据拆分打包，目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合；
S6、对出现解析错误的数据包进行检测和重传。
进一步地，步骤S2中，在传输通道模型中，源节点与巡检无人机之间的路径损耗S(dJ,fJ)表示为：
；
为传输损耗，数据信号的到达方向为/>，数据信号的到达时差为/>，F(dJ,fJ)表示距离为dJ，频率为fJ条件下的空间损耗；
F(dJ,fJ)＝20log10dJ+20log10fJ+32.44；
源节点与巡检无人机之间的通道容量C1表示为：
；
其中，B1为信道许用带宽，g1为信道增益系数，表示环境中白噪声的功率密度，Eb表示比特信息占有的能量。
进一步地，步骤S3中，设其中一个无人机i的起始位置为qi0，在相邻时刻t+1、t中的位置和/>满足如下约束条件：
；
；
；
其中,N表示时刻总数，L表示无人机i在一个时刻内以最大速度飞行的最大长度,dmin表示巡检无人机J和中继无人机R之间的最小安全距离。
进一步地，中继无人机R和巡检无人机J的发射功率小于其自身最大功率的上限：
,0≤PR(t)≤PRmax,t=1,…，N；
,0≤PJ(t)≤PJmax,t=1,…，N；
其中，中继无人机R和巡检无人机J的发射功率分别为PR,PJ；表示中继无人机R的平均发射功率,/>表示巡检无人机J的平均发射功率；中继无人机R的最大发射功率为PRmax和巡检无人机J的最大发射功率为PJmax。
进一步地，步骤S4中，第n个固定周期内发送的数据包总数为Mn,源节点在该固定周期发送第一个数据包的时刻至接收到最后一个确认标识的时刻的时间间隔为Tn；
每个固定周期接收到最后一个确认标识后,通过下式对该条数据传输通道的传输速率进行计算：
；
其中，En-1和En是数据传输通道传输速率第n-1个和第n个固定周期内的传输速率,Mn与Tn的比值是第n个固定内数据传输通道的瞬时传输速率大小,为平滑因子。
进一步地，选取待分配数据包的数据传输路径的算法为:
；
其中，Z为数据传输通道的个数,Sx为数据传输通道x上已分配但未发送确认的数据包个数,Ex为数据传输通道x上最近一次计算的传输速率,bx为数据传输通道x上最近一次收到确认标识。
进一步地，步骤S5中，当源节点有数据包需要发送时,首先判断数据包长度是否超过数据包允许的最大数据段长度,若待发送数据包的长度超过了最大数据段长度,则将数据包拆分为长度为最大数据段长度的多个数据段,若待发送数据包的长度不超过最大数据段长度,则跳过拆分数据环节；
目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合，当目的节点的数据传输模块接收到数据包时,首先检测数据包是否正确,若数据包不正确,则不进行数据包解析，若数据包正确,则检测校验位是否正确，若数据包校验失败,则不进行数据包解析。
进一步地，步骤S6中，目的节点在接收到数据包后对数据包报头中的校验位进行循环校验,若校验正确,则数据包传输正确,直接将数据包进行解析整合，若校验错误,则需要提示源节点重新发送该数据包；源节点确定请求重传的数据包是巡检数据包还是操控数据包；如果是巡检数据包，则计算循环校验码，并将循环校验码附加到巡检数据包；但如果是操控数据包，则计算循环校验码的异或值，并将异或值附加到操控数据包。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
使用巡检无人机和中继无人机建立空中通信链路,采用多个源节点和多个目的节点作为地面通信节点对，每一个地面节点对均经由空中通信链路构成一个传输通道；构建地面节点对经由空中通信链路的传输通道模型，基于每个传输通道的传输损耗计算通道容量；构建空中通信链路相邻时刻中的无人机位置约束条件和功率增益；在满足位置约束条件下，采用基于路径传输速率计算值的数据分配算法进行数据分配；根据选取待分配数据包的数据传输路径，源节点将待发送数据拆分打包，目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合；对出现解析错误的数据包进行检测和重传。实现了电力数据传输过程中对巡检数据和用户信息保护，解决了多节点对之间接收信息不公平的问题，实现信息传输速率的最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的用户与电力巡检无人机间的安全通信方法的流程图。
图2为本发明的用户与电力巡检无人机间通信系统示意图。
图3为本发明的源节点和目的节点构成的节点对位置示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的用户与电力巡检无人机间的安全通信方法的流程图，包括如下步骤：
S1、使用巡检无人机J和中继无人机R建立空中通信链路,采用多个源节点和多个目的节点作为地面通信节点对，每一个地面节点对均经由空中通信链路构成一个传输通道。
如图2所示为用户与电力巡检无人机间通信系统示意图。设节点包括有：源节点Sm和用户节点Dm；源节点Sm发送信息到用户节点Dm,m=1,2,…M，即源节点和用户节点均为M个。
源节点和用户节点都是根据自身任务要求而移动的节点。由于巡检无人机J和用户节点Dm的移动以及二者之间的遮挡物导致二者之间的直连信道质量差而中断,在这种情况下,使用移动中继无人机R来重建通信链路,恢复源节点Sm和用户节点Dm之间的通信。
S2、构建地面节点对经由空中通信链路的传输通道模型，基于每个传输通道的传输损耗计算通道容量。
如图3所示，为源节点和目的节点构成的节点对位置示意图。数据信号的到达方向和数据信号的到达时差/>的传输损耗/>表示为如下公式：
；
；
；
到达时差阈值为，/>为长半轴长度，/>为短半轴长度；数据信号的到达方向/>为数据信号的平均到达方向与x轴的夹角，c为信号传输速度，D为节点对的间距。
在传输通道模型中，源节点与巡检无人机J之间的路径损耗S(dJ,fJ)表示为：
；
使用F(dJ,fJ)表示距离为dJ，频率为fJ条件下的空间损耗：
F(dJ,fJ)＝20log10dJ+20log10fJ+32.44；
源节点与巡检无人机之间的通道容量C1表示为：
；
其中，B1为信道许用带宽，g1为信道增益系数，表示环境中白噪声的功率密度，Eb表示比特信息占有的能量。
S3、构建空中通信链路相邻时刻中的无人机位置约束条件和功率增益。
中继无人机R为多对移动节点提供接入,将一个周期分为等长的N个部分，中继无人机R有足够大的数据缓冲区,并分配相同的带宽用于信息接收和传输。
设各个节点j处于一个三维笛卡尔坐标系中，两个无人机均在高度为H的水平面上飞行,起始位置为qi0。将节点j的水平面位置Wj记为Wj=(xj,yj),其中，将无人机的飞行周期设为T,并将其分为N个等长时刻,τ=T/N,其中τ是单元时间的长度。
无人机的轨迹可以划分为整个周期内每个时刻的位置的连接线。每个无人机i在第t时刻上的水平面位置qi(t)记为：qi(t)=[xi(t),yi(t)]，xi(t),yi(t)分别为第t时刻上水平面内的横纵坐标。
其中,。由于Sm和Dm是移动的,Sm和Dm在第t时刻的位置Wj(t)也可以表示为Wj(t)=[xj(t),yj(t)]，xj(t),yj(t)分别为第t时刻上水平面内的横纵坐标。
设其中一个无人机i的起始位置为qi0，在相邻时刻t+1、t中的位置和/>满足如下约束条件：
；
；
；
其中,N表示时刻总数，L=τvmax表示无人机R或J在一个时刻内以最大速度(单位m/s)飞行的最大长度,vmax表示无人机的最大飞行速度,dmin表示巡检无人机J和中继无人机R之间的最小安全距离。
两个无人机之间的通信信道均采用自由空间损耗模型,在第t时刻中继无人机与干扰无人机之间信道的功率增益hJR(t)为:
,t=1,……，N；
其中表示近距离参考距离d0=1时的信道功率,dJR表示无人机J与R之间的距离。d0是近距离参考距离,该距离应位于天线的远场。
无人机和节点之间的上行和下行通信均采用自由空间传播模型。因此,在t时刻无人机i与节点j之间的信道增益为：
,t=1,……，N；
其中dij表示无人机i到节点j的距离,wj（t）表示t时刻节点j的水平面位置。
中继无人机R和巡检无人机J的发射功率应小于其自身最大功率的上限,即：
,0≤PR(t)≤PRmax,t=1,…，N；
,0≤PJ(t)≤PJmax,t=1,…，N；
其中，中继无人机R和巡检无人机J的发射功率分别为PR,PJ；表示中继无人机R的平均发射功率,/>表示巡检无人机J的平均发射功率；中继无人机R的最大发射功率为PRmax和巡检无人机J的最大发射功率为PJmax。
S4、在满足位置约束条件下，采用基于路径传输速率计算值的数据分配算法进行数据分配。
为了避免因目的节点缓存阻塞造成的传输通道传输速率低问题,有效利用多条数据传输通道的优势,基于路径传输速率估计进行数据分配。
自适应地为多条数据传输通道分配数据包数据，源节点将待发送巡检数据打包为多个数据包后,数据分配模块对根据每条数据传输通道的过往传输速率和瞬时传输速率对传输速率进行估计。通过计算数据包到达目的节点的时间,将数据包分配给使数据包最快到达目的节点的数据传输通道。最后,各个数据传输通道彼此独立的依次发送被分配的数据包。
数据分配模块对每条数据传输通道的传输速率估计方法如下所述：
以发送设定数量的数据包后收到目的节点反馈的确认标识为一个固定周期。固定周期内发送的数据包总数为Mn,源节点在该固定周期发送第一个数据包的时刻至接收到最后一个确认标识的时刻的时间间隔为Tn。
步骤S4中，第n个固定周期内发送的数据包总数为Mn,源节点在该固定周期发送第一个数据包的时刻至接收到最后一个确认标识的时刻的时间间隔为Tn；
每个固定周期接收到最后一个确认标识后,通过下式对该条数据传输通道的传输速率进行计算：
；
其中，En-1和En是数据传输通道传输速率第n-1个和第n个固定周期内的传输速率,Mn与Tn的比值是第n个固定内数据传输通道的瞬时传输速率大小,为平滑因子,/>的表达式为：
；
其中k为常量。
数据分配模块根据对各条数据传输通道传输速率的估计,结合每条通路已分配的数据包个数,计算待分配数据包通过各条数据传输通道到达目的节点的时间,将待分配数据包分配给不同的数据传输通道。
选取待分配数据包的数据传输路径的算法为:
；
其中，Z为数据传输通道的个数,Sx为数据传输通道x上已分配但未发送确认的数据包个数,Ex为数据传输通道x上最近一次估计的传输速率,bx为数据传输通道x上最近一次收到确认标识,即最近一次计算路径传输速率的时刻。
S5、根据选取待分配数据包的数据传输路径，源节点将待发送数据拆分打包，目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合。
在这个无人机使能的通信中继系统中,通信链路包含Sm-J链路、R-J链路和Dm-R链路。
源节点将待发送数据拆分打包通过数据分配模块分配给各个数据传输通道发送,各个数据传输通道独立地依次发送被分配的数据包。源节点的数据拆分打包流程如下：
当源节点有数据包需要发送时,首先判断数据包长度是否超过数据包允许的最大数据段长度。若待发送数据包的长度超过了最大数据段长度,则将数据包拆分为长度为最大数据段长度的多个数据段,若待发送数据包的长度不超过最大数据段长度,则跳过拆分数据环节。按照数据段顺序为其标记全局唯一的序列号,按照规定格式为其添加报头信息。其中报头除全局唯一的序列号之外,还包含校验位、标志位、数据包大小和版本号等信息。最后将打包好的数据包传递给数据分配模块,由数据分配模块分配给各个数据传输通道。
目的节点将各个数据传输通道接收到的数据解析并依据序列号进行整合。目的节点的数据解析整合流程如下:当目的节点的数据传输模块接收到数据包时,首先检测数据包是否正确,若数据包不正确,则不进行数据包解析。若数据包正确,则检测校验位是否正确。若数据包校验失败,则不进行数据包解析。若数据包校验正确,则提取数据包中的数据部分,按照报头中的序列号顺序整合数据。最后,将整合后的数据提交至应用层。
在优选实施例中，采用映射算法将整合后的数据提交至应用层，利用TN={TN1，TN2，…，TNm}表示到达应用层的数据集合，m表示集合内的数据块个数。
以两个待传输的数据为例，设TNi和TNj代表任意两个待传输的数据块，计算数据块TNi和TNj的压缩值,计算数据块的压缩值的散列值Qi、Qj，H为hash函数，散列值Qi、Qj按照下述关系获得如下：
；
两两数据通过映射算法提交至应用层，QTij表示哈希映射E下的生成元，哈希映射E如下：
E：Qi×Qj=QTij；
将通过映射算法生成的生成元构成元数组{QTij}传送至提交至应用层内。
S6.对出现解析错误的数据包进行检测和重传。
无人机多路并行传输系统需要实现较高的数据传输准确率,由于数据在无线传输过程中会不可避免地出现解析错误问题,这就需对出现解析错误的数据包进行快速的检测和重传。
目的节点在接收到数据包后对数据包报头中的校验位进行循环校验,若校验正确,则数据包传输正确,直接将数据包进行解析整合。若校验错误,则需要提示源节点重新发送该数据包。源节点确定请求重传的数据包是巡检数据还是操控数据包；如果是巡检数据，则计算循环校验码，并将循环校验码附加到巡检数据；但如果是操控数据包，则计算循环校验码的异或值，并将异或值附加到操控数据包。
目的节点接收重传后的数据包，接收的重传后的分组数据包具有报头，检查报头是巡检数据报头还是控制报头，并检查每个报头对应的校验码，即分组报头对应为循环校验码，控制报头对应为循环校验码的异或值。如果校验码和标准校验码匹配，则检查输出“有效”状态。否则，检查输出“无效”状态。
如果检查输出“有效”状态，则处理该分组数据包，目的节点需要将报头中的数据包序列号提取,将数据包进行解析整合，否则丢弃该分组数据包。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用户与电力巡检无人机间的安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、使用巡检无人机和中继无人机建立空中通信链路,采用多个源节点和多个目的节点作为地面通信节点对，每一个地面节点对均经由空中通信链路构成一个传输通道；
S2、构建地面节点对经由空中通信链路的传输通道模型，基于每个传输通道的传输损耗计算通道容量；
S3、构建空中通信链路相邻时刻中的无人机位置约束条件和功率增益；
S4、在满足位置约束条件下，采用基于路径传输速率计算值的数据分配算法进行数据分配；
S5、根据选取待分配数据包的数据传输路径，源节点将待发送数据拆分打包，目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合；
S6、对出现解析错误的数据包进行检测和重传。
2.根据权利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，步骤S2中，在传输通道模型中，源节点与巡检无人机之间的路径损耗S(dJ,fJ)表示为：
；
为传输损耗，数据信号的到达方向为/>，数据信号的到达时差为/>，F(dJ,fJ)表示距离为dJ，频率为fJ条件下的空间损耗；
F(dJ,fJ)＝20log10dJ+20log10fJ+32.44；
源节点与巡检无人机之间的通道容量C1表示为：
；
其中，B1为信道许用带宽，g1为信道增益系数，表示环境中白噪声的功率密度，Eb表示比特信息占有的能量。
3.根据权利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，步骤S3中，设其中一个无人机i的起始位置为qi0，在相邻时刻t+1、t中的位置和/>满足如下约束条件：
；
；
；
其中,N表示时刻总数，L表示无人机i在一个时刻内以最大速度飞行的最大长度,dmin表示巡检无人机J和中继无人机R之间的最小安全距离。
4.根据权利要求3所述的安全通信方法，其特征在于，中继无人机R和巡检无人机J的发射功率小于其自身最大功率的上限：
,0≤PR(t)≤PRmax,t=1,…，N；
,0≤PJ(t)≤PJmax,t=1,…，N；
其中，中继无人机R和巡检无人机J的发射功率分别为PR,PJ；表示中继无人机R的平均发射功率,/>表示巡检无人机J的平均发射功率；中继无人机R的最大发射功率为PRmax和巡检无人机J的最大发射功率为PJmax。
5.根据权利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，步骤S4中，第n个固定周期内发送的数据包总数为Mn,源节点在该固定周期发送第一个数据包的时刻至接收到最后一个确认标识的时刻的时间间隔为Tn；
每个固定周期接收到最后一个确认标识后,通过下式对该条数据传输通道的传输速率进行计算：
；
其中，En-1和En是数据传输通道传输速率第n-1个和第n个固定周期内的传输速率,Mn与Tn的比值是第n个固定内数据传输通道的瞬时传输速率大小,为平滑因子。
6.根据权利要求5所述的安全通信方法，其特征在于，选取待分配数据包的数据传输路径的算法为:
；
其中，Z为数据传输通道的个数,Sx为数据传输通道x上已分配但未发送确认的数据包个数,Ex为数据传输通道x上最近一个周期计算的传输速率,bx为数据传输通道x上最近一个周期收到确认标识。
7.根据权利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，步骤S5中，当源节点有数据包需要发送时,首先判断数据包长度是否超过数据包允许的最大数据段长度,若待发送数据包的长度超过了最大数据段长度,则将数据包拆分为长度为最大数据段长度的多个数据段,若待发送数据包的长度不超过最大数据段长度,则跳过拆分数据环节；
目的节点将各个数据传输通道接收到的数据包解析并整合，当目的节点接收到数据包时,首先检测数据包是否正确,若数据包不正确,则不进行数据包解析，若数据包正确,则检测校验位是否正确，若数据包校验失败,则不进行数据包解析。
8.根据权利要求7所述的安全通信方法，其特征在于，步骤S6中，目的节点在接收到数据包后对数据包报头中的校验位进行循环校验,若校验正确,则数据包传输正确,直接将数据包进行解析整合，若校验错误,则提示源节点重新发送该数据包；源节点确定请求重传的数据包是巡检数据包还是操控数据包；如果是巡检数据包，则计算循环校验码，并将循环校验码附加到巡检数据包；但如果是操控数据包，则计算循环校验码的异或值，并将异或值附加到操控数据包。
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