一种无人机编队网络安全通信方法及系统与流程

本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种无人机编队网络安全通信方法及系统。

背景技术：

近年来，由于体积小、成本低和易部署等优点，无人机在无线通信领域得到了广泛应用。它可以应用在移动通信的很多方面，例如移动覆盖、移动中继和移动数据的收集等。目前，在某些紧急情况下，比如公共安全、物流和森林火灾监测等，无人机编队的协作通信方式也越来越受到重视，它对满足多无人机和5g通信之间的性能需求发挥了重要的作用。

随着无人机在公用、民用和军用中的普遍应用，无人机通信中的安全问题也越来越受到重视。无人机在无线通信领域中的一个突出挑战是信息的安全传输问题，由于无线通信信道固有的开放性、无线电信号的广播性和无人机通信网络拓扑的动态性，很容易造成信息在传输过程中的泄露和窃听，从而对无人机的通信安全造成威胁。虽然已有的加密方法和技术对无人机通信安全起到了一定的作用，比如采用传统的基于密钥的加密方式和基于无线信道物理特征的物理层安全技术等，但是由于无人机编队网络动态拓扑结构的复杂性，无人机编队网络的通信安全仍得不到保障。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能；

调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

第二方面，本发明实施例提供一种无人机编队网络安全通信系统，包括：

保密和速率获取模块，用于基于无人机群与多个终端间的信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能；

保密和速率最大化模块，用于调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

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无人机编队网络安全通信方法及系统，通过无人机群与多个终端间的信道信息，其包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，并结合无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率，并通过调整发射功率集以最大化保密和速率，得到目标发射功率集，从而使得无人机群按照该目标发射功率集与若干个授权终端进行通信，保障了信息传输的安全性，提高了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，无人机群通常包括多个无人机，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，非授权终端通常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，保证无人机编队网络的通信安全性，本发明实施例提供了一种无人机编队网络安全通信方法。

图1为本发明实施例提供的一种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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能。

具体地，为了更好地说明本发明实施例，首先对本发明实施例的应用环境进行具体说明。

本发明实施例中的无人机编队网络中的无人机群包括l个无人机，无人机编队网络中的多个终端包括k个授权终端(记为b)和1个非授权终端(记为e)。无人机群采取多点协作的方式，形成虚拟的多天线发射端，其所含天线数为l。每个授权终端用户所含的天线数为nb，非授权终端用户所含的天线数为ne。无人机的飞行周期为tu，其包括两个部分，若干个飞行时间段和若干个悬停时间段。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。此外，每个授权终端在整个无人机的飞行周期内均只被调度一次。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。假设对k个授权终端的悬停时间段分别为π1,...,πk。为了计算方便，进一步假设πk＝π,k＝1,...,k。

假设l为3，3个无人机分别为a、b和c，k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内只与甲进行通信，在悬停时间段2内只与乙进行通信，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。

无人机群的发射功率集，指的是无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，具体包括：

a与甲通信时的发射功率、与乙通信时的发射功率；b与甲通信时的发射功率、与乙通信时的发射功率；以及，c与甲通信时的发射功率、与乙通信时的发射功率。

基于无人机群与多个终端间的信道信息，其包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，并结合无人机群的发射功率集，获取无人机群的保密和速率，其中，保密和速率用于表征无人机群的通信安全程度。

步骤102，调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

具体地，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发射功率集以最大化保密和速率，并将保密和速率最大时的调整后的发射功率集作为无人机群的目标发射功率集，以使得无人机群在与若干个授权终端进行通信时按照目标发射功率集向若干个授权终端发送信息，从而保障信息传输的安全性，提高无人机编队网络通信的安全性。

本发明实施例提供的方法，通过无人机群与多个终端间的信道信息，其包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，并结合无人机群的发射功率集，获取无人机群的保密和速率，并通过调整发射功率集以最大化保密和速率，得到目标发射功率集，从而使得无人机群按照该目标发射功率集与若干个授权终端进行通信，保障了信息传输的安全性，提高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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率，之前还包括：

步骤001，在所述无人机群的每一个悬停时间段内，获取所述无人机群中任一无人机与对应终端间的距离。

具体地，首先对获取一个无人机与一个终端间的大尺度信道信息的过程进行说明：

假设无人机群中第l个无人机在第k个悬停时间段内的坐标为(wl,k,sl,k,hl,k)，其中(wl,k,sl,k)表示第l个无人机的水平坐标，hl,k表示第l个无人机的飞行高度。假设授权终端和非授权终端的空间坐标为(rq,k,tq,k,0)，其中q∈{b,e}。则第l个无人机与终端q在第k个悬停时间段内的距离dql,k为：

步骤002，根据所述距离，获取所述无人机与所述对应终端间的路径损耗。

具体地，在第k个悬停时间段内，第l个无人机和终端q之间的大尺度路径损耗(以db为单位)为：

其中，a＝ηlos-ηnlos，是第l个无人机相对于终端q的仰角，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对应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对应终端间的大尺度信道信息。

具体地，在第k个悬停时间段内第l个无人机和终端q的绝对功率损耗qql,k为：

并将其作为第l个无人机和终端q的大尺度信道信息。

步骤004，将若干个悬停时间段内得到的所有大尺度信道信息作为所述无人机群与多个终端间的大尺度信道信息。

具体地，根据步骤001～003中的过程，可获取到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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率，包括：

步骤1011，在所述无人机群的每一个悬停时间段内，根据所述无人机群与对应授权终端间的信道信息和所述无人机群与所述授权终端进行通信时的发射功率，获取所述无人机群在所述悬停时间段内的第一保密速率。

具体地，对于任一悬停时间段，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与该授权终端进行通信时的发射功率，获取无人机群在该悬停时间段内的第一保密速率。

其中，构建信道矩阵的过程如下：

获取无人机群与对应授权终端间的信道信息，组成信道矩阵。其中，第l个无人机和终端q之间的信道信息hql,k为：

其中，表示小尺度信道信息，在此将该信道选定为瑞利信道。

无人机群与终端之间形成虚拟的nq×l的mimo链路，其信道矩阵可以表示为

hq,k＝sq,kqq,k,q∈{b,e}

其中，hq,k＝[hq1,k,hq2,k,...,hql,k]，sq,k＝[sq1,k,sq2,k,...,sql,k]，

此时，第一保密速率可通过下式计算：

其中，rb,k(pk)表示在第k个悬停时间段内的第一保密速率，为基于sb,k的求平均运算符，det为方阵函数，为维度nb×nb的单位矩阵，hb,k为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端间的信道矩阵，pk为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端进行通信时的发射功率，(·)^h为共轭转置，δ²为噪声方差。

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信道信息和所述无人机群与所述授权终端进行通信时的发射功率，获取所述无人机群在所述悬停时间段内的第二保密速率。

具体地，本发明实施例获取第二保密速率的过程与获取第一保密速率的过程类似，此处不再赘述，此时，第二保密速率可通过下式计算：

其中，re,k(pk)表示在第k个悬停时间段内的第二保密速率，为基于se,k的求平均运算符，det为方阵函数，为维度ne×ne的单位矩阵，he,k为第k个悬停时间段内无人机群与非授权终端间的信道矩阵，pk为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端进行通信时的发射功率，(·)^h为共轭转置，δ²为噪声方差。

步骤1013，根据所述无人机群在若干个悬停时间段内的所有第一保密速率和所有第二保密速率，获取所述无人机群的保密和速率。

具体地，将若干个悬停时间段内的所有第一保密速率之和的均值与所有第二保密速率之和的均值相减，即可得到无人机群的保密和速率。

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102进行具体说明，即调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，包括：

步骤1021，利用大尺度信道信息，将所述保密和速率转换为目标保密和速率。

具体地，由于保密和速率中存在小尺度信道信息，因此在数学上难以对保密和速率进行最大化，因此，剔除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，以将保密和速率转换为目标保密和速率。

步骤1022，基于块坐标下降法，对所述目标保密和速率进行优化，实现最大化所述保密和速率。

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保密和速率进行优化，能够实现保密和速率的最大化。

基于上述任一实施例，本发明实施例对上述实施例中的步骤1011进行具体说明，即所述保密和速率r(φ)的公式为：

其中，rb(φ)为无人机群在若干个悬停时间段内的所有第一保密速率之和的均值，re(φ)为无人机群在若干个悬停时间段内的所有第二保密速率之和的均值，为发射功率集，k为授权终端的个数，为基于sb,k的求平均运算符，det为方阵函数，为维度nb×nb的单位矩阵，hb,k为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端间的信道矩阵，pk为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端进行通信时的发射功率，(·)^h为共轭转置，δ²为噪声方差，为基于se,k的求平均运算符，为维度ne×ne的单位矩阵，he,k为第k个悬停时间段内无人机群与非授权终端间的信道矩阵；

所述目标保密和速率的公式为：

其中，为无人机群在若干个悬停时间段内的所有目标第一保密速率之和的均值，为无人机群在若干个悬停时间段内的所有目标第二保密速率之和的均值，为发射功率集，为引入的辅助变量，k为授权终端的个数，il为维度l×l的单位矩阵，nb为授权终端所含的天线数，qb,k为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端间的大尺度信道信息，pk为第k个悬停时间段内无人机群与被调度的授权终端进行通信时的发射功率，δ²为噪声方差，e为自然常数，ne为非授权终端所含的天线数，qe,k为第k个悬停时间段内无人机群与非授权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1022进行具体说明，即，基于块坐标下降法，对所述目标保密和速率进行优化，包括：

基于块坐标下降法，对发射功率集、辅助机变量tb和辅助变量te进行交替迭代，并利用凸优化工具和一阶泰勒展开法求解最优发射功率集；

根据所述最优发射功率集φ获取对应的保密和速率，若所述保密和速率满足预设条件，则完成优化。

具体地，优化过程如下：

(1)初始化参数

初始化无人机群的发射功率集并给定算法迭代终止的门限值ε。

(2)优化目标是最大化保密和速率。在获取的无人机群与多个终端的大尺度信道信息基础上，优化问题可以描述为：

tb≥0

te≥0

其中，pl,k为无人机编队中第l个无人机在第k个悬停时间段内发射功率，p^max表示功率约束的限值，e^max表示能量约束的限值。

(3)采用块坐标下降法，对优化变量φ，tb和te进行交替迭代，从而求得问题最优解。具体实施步骤如下:

(3-1)给定φ，tb可以通过以下优化问题进行求解。

s.t.tb≥0

该问题为凸优化问题，可以直接采用凸优化工具进行求解。

(3-2)给定φ，te可以通过以下优化问题进行求解。

s.t.te≥0

该问题为凸优化问题，可以直接采用凸优化工具进行有效求解。

(3-3)给定tb和te，φ可以通过以下优化问题进行求解。

该目标函数是非凸函数，故优化问题是非凸优化问题。采用一阶泰勒展开法，将在点展开得到：

此时，该优化问题进一步转化为：

转化后的优化问题是凸优化问题，可以采用凸优化工具进行求解从而得到最优发射功率集φ。

(4)根据最优发射功率集φ获取对应的保密和速率，若保密和速率满足预设条件，则完成优化，否则，根据本次获取到的最优发射功率集φ，重复执行步骤(3-1)-(3-3)的过程，直至保密和速率满足预设条件。

基于上述任一实施例，本发明实施例对上述实施例中的预设条件进行说明，即所述预设条件为：

其中，r(φ)为本次迭代得到的保密和速率，r0(φ)为上一次迭代得到的保密和速率，ε为预设阈值。

基于上述任一实施例，图2为本发明实施例提供的一种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：

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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能；保密和速率最大化模块202，用于调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

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，通过无人机群与多个终端间的信道信息，其包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，并结合无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率，并通过调整发射功率集以最大化保密和速率，得到目标发射功率集，从而使得无人机群按照该目标发射功率集与若干个授权终端进行通信，保障了信息传输的安全性，提高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(communicationsinterface)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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能；调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

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-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、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信道信息和所述无人机群的发射功率集，获取所述无人机群的保密和速率；其中，所述多个终端包括若干个授权终端和一个可移动的非授权终端，所述信道信息包括大尺度信道信息和小尺度信道信息，所述发射功率集包括所述无人机群与每一授权终端进行通信时的发射功率，所述保密和速率用于表征所述无人机群的安全通信性能；调整所述发射功率集以最大化所述保密和速率，并将所述保密和速率最大时的所述发射功率集作为所述无人机群的目标发射功率集，以使得所述无人机群按照所述目标发射功率集与所述若干个授权终端进行通信。

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。