一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法

本发明涉及通信，尤其涉及一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法。

背景技术：

1、空天地一体化网络因其全球覆盖和协同通信的优势，被视为下一代网络的关键驱动力，具有广阔的发展前景。空天地一体化网络有潜力彻底改变网络架构，在个人、机器、数据和事物之间创建无缝连接，从而促进智能实体之间的高效通信，迎来万物互联时代。物联网终端设备的迅速增长对通信系统提出了更高的要求，需要显著提升容量和效率。高空平台作为空天地一体化网络的核心组成部分，已成为实现广域物联网部署的理想选择，并已在各个领域得到广泛应用，如智慧城市、工业自动化和环境监测。部署于海拔约20公里的平流层，高空平台受益于更高概率的视距信道，从而提高了信息传输的质量。此外，高空平台支持动态部署，为网络引入了新的自由度。与经常遭受阴影衰落和多径效应之类问题的地面网络相比，这是一个明显的优势。因此，这些独特的属性刺激了对高空平台通信的广泛研究，尤其是关注其作为空中基站或空中中继的潜力。

2、然而，无线信道天然的广播特性给高空平台通信带来了相当大的安全问题，物联网中的敏感信息，例如医疗监测记录、车辆行驶数据和个人认证隐私，在通过高空平台网络传输时容易被窃听者截获，可能造成严重后果。因此，在高空平台通信中存在对有效安全措施的直接且迫切的需求。传统上，基于密码学的上层加密机制是被用作保证信息传输安全的主要手段，然而，高空平台的动态部署在密钥管理、分发和更新方面造成了重大障碍。此外，由于资源限制，特别是在广域物联网等大规模分布式网络中，使得传统的基于密码学的方法无法实施。虽然轻量级加密协议可以减轻资源压力，但这种权衡可能会危及无线通信系统的可靠性和安全性。

3、目前，物理层安全已经发展成为一种有前途的替代技术，它利用无线信道固有的随机性和不可预测性来确保无线通信的安全性。物理层安全作为一种轻量级解决方案，不受移动窃听者计算能力的影响，通过各种措施，如身份验证、访问控制和数据完整性检查等，来确保安全的信息传输，而不会增加额外的计算负担。在物理层安全框架中，保密速率被认为是一个关键的度量指标，它表示合法通信节点之间能够达到的最大数据速率。这意味着当合法信道优于窃听信道时，就能实现非零的保密速率。在这种情况下，信息可以安全地传输，而移动窃听者无法解密任何有价值的信息。因此，通过灵活地利用增加的自由度对高空平台进行按需部署，有可能最大化预期的信道优势，从而增强无线通信系统的安全性能。重要的是，高空平台通常需要访问移动窃听者的信道状态信息，以便进行有效的功率控制和/或子载波调度。然而，这项任务并不像假设的那样简单，因为移动窃听者经常被动地运行，保持休眠以隐藏自身的存在。其次，移动窃听者的移动性，加上它们可能采取的逃避策略，使持续地测量它们的准确位置变得更加复杂。虽然可以使用合成孔径雷达或光学相机来估计这些移动窃听者的位置，然而在实际场景中，获得它们的完美位置信息仍然极为困难。此外，对于部署于高海拔的高空平台，与空地通信范围相比，合法的终端设备和移动窃听者之间的距离通常微不足道。因此，合法信道和窃听信道之间的差异微小，使得仅通过优化高空平台部署难以实现令人满意的保密速率。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，以克服存在多个位置信息不完善的移动移动窃听者的复杂情况下，从高空平台到终端设备的安全信息分发问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，具体步骤包括：

4、s1：构建无人机辅助安全高空平台通信系统；

5、s2：构建合法模型和干扰模型，并基于所述合法模型和干扰模型构建保密速率模型；

6、s3：基于无人机辅助安全高空平台通信系统以及所述保密速率模型制定联合优化问题p1，优化目标为最大化最小平均保密速率；

7、s4：基于最差保密速率将所述联合优化问题p1转化为问题p3；

8、s5：基于最优高空平台部署方案将问题p3进行拆分得到若干个子问题，并采用松弛法和逐次凸逼近算法sca对拆分后的若干个子问题进行处理得到若干个凸优化问题；

9、s6：对若干个所述凸优化问题进行交替迭代求解，从而得到所述联合优化问题p1的近似最优解，从而得到安全通讯部署方案。

10、有益效果：本发明构建了一个无人机辅助安全高空平台通信系统模型，该模型包括一架高空平台模型和多个地面终端设备模型，在考虑存在多个位置信息不完善的移动窃听者模型的复杂情况下，充分利用无人机模型的移动性，实现了从高空平台模型到终端设备模型的安全信息分发。考虑到无人机模型的移动性和高空平台模型功率预算等约束，通过联合优化高空平台模型部署方案、子载波调度、高空平台模型发射功率和无人机模型轨迹，制定了无人机辅助安全高空平台通信系统的最小平均保密速率最大化问题。为了解决所制定的混合整数非凸优化问题，通过将复杂的原问题解耦为三个子问题，然后运用松弛法和逐次凸逼近技术以迭代方式获得原问题的近似最优解，并且在有限迭代次数内实现收敛，得到安全通讯部署方案，将物理层安全技术和高空平台通信相结合，并且将高空平台模型和无人机模型引入了新的安全自由度，具有更高的灵活性和移动性，可通过按需部署进一步增强合法信道优势，从而增强无线通信系统的安全性能。同时根据无人机模型移动来动态调整子载波调度和高空平台模型发射功率，进一步提高了保密速率。

技术特征：

1.一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s1中，所述无人机辅助安全高空平台通信系统包括一架高空平台模型、k个地面终端设备模型、一架无人机模型和m个地面移动窃听者模型；

3.根据权利要求2所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s2中，所述合法模型包括：

4.根据权利要求3所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s2中，所述干扰模型包括：

5.根据权利要求4所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s2中，所述保密速率模型包括：

6.根据权利要求5所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s3中，基于无人机辅助安全高空平台通信系统以及所述保密速率模型制定联合优化问题p1，所述联合优化问题p1表示为：

7.根据权利要求6所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s4中，基于最差保密速率将所述联合优化问题p1转化为问题p3的过程包括：

8.根据权利要求7所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s5中，基于最优高空平台部署方案将问题p3进行拆分得到若干个子问题，并采用松弛法和逐次凸逼近算法sca技术对拆分后的若干个子问题进行处理得到若干个凸优化问题的过程包括：

9.根据权利要求8所述的基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法，其特征在于，s6中，对若干个所述凸优化问题进行交替迭代求解，从而得到所述联合优化问题的近似最优解，从而得到无人机辅助高空平台安全通信优化方案过程为：

技术总结
本发明公开了一种基于无人机辅助高空平台的安全通信优化方法,S1：构建无人机辅助安全高空平台通信系统；S2：构建合法模型和干扰模型，以及保密速率模型；S3：基于无人机辅助安全高空平台通信系统以及所述保密速率模型制定问题P1，优化目标为最大化最小平均保密速率；S4：将问题P1转化为问题P3；S5：基于最优高空平台部署方案将问题P3拆分为若干个子问题，并采用松弛法和逐次凸逼近算法进行处理得到若干个凸优化问题；S6：对若干个所述凸优化问题进行求解，得到问题P1的近似最优解，从而得到安全通讯部署方案。本发明通过将物理层安全技术和高空平台通信相结合，可通过按需部署进一步增强合法信道优势，从而增强无线通信系统的安全性能。

技术研发人员：那振宇,张跃,温子浩,任涵涵,刘鑫
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8