卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
卫星无人机协同覆盖网络中的安全通信方法及装置
本专利技术涉及无线通信
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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。本专利技术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。本专利技术还提供一种电子设备，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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。


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...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯伟，雷城乐阳，葛宁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11