一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法技术

本发明专利技术涉及一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，该方法为：构建由一架无人机、一块智能反射表面、M个合法用户和一个活跃的窃听者组成的下行通信系统；设定目标问题P1为通过联合优化用户调度、智能反射表面反射相移以及无人机三维轨迹，最大化系统平均保密率；给定智能反射表面的反射相移以及无人机的三维轨迹输入目标问题P1中优化得到最优无人机用户调度；将最优无人机用户调度以及给定的三维轨迹输入到目标问题P1中优化得到智能反射表面最优反射相移；将最优用户调度以及智能反射表面最优反射相移输入到目标问题P1中优化得到最优三维轨迹；该方法在保证合法用户服务质量的同时，最大化系统的平均保密率，避免用户信息被窃听。用户信息被窃听。用户信息被窃听。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法


[0001]本专利技术涉及无人机通信
，尤其是涉及一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法。

技术介绍

[0002]面对日趋增长的用户量及无线网络容量，无人机的出现可以很好的解决这一问题，增大通信系统的信息传输容量。无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)作为空中通信平台具有高机动性，可以提供有效且可靠的覆盖范围，提高无线通信的能量效率。它能够通过调整位置适应各种通信环境，也因此可部署为移动基站、移动中继和空中用户，展现了传统静态基站所不具备的优势。特别是无人机作为空中基站能够缩短与地面用户的通信距离，建立强视距(Line
‑
of
‑
Sight，LOS)链路，提供高效的数据服务。因此，无人机在5G及以上的通信领域提供了广泛的潜在应用。
[0003]无人机通信网络面临的一个关键挑战是，由于无人机
‑
地面节点之间的空对地信号传播受到高楼建筑等障碍物的阻挡，可能会存在非视距路径，导致接收端信号质量下降，影响正常通信。新兴的智能反射表面技术可以通过主动地重新构建传播环境来应对这一挑战。无人机能飞近地面终端并通过视距链路与它们通信，从而提高空对地数据速率。由于空对地系统中视距信道占主导地位，这增加了窃听者恶意窃取用户信息的可能性。
[0004]现有得研究中，有人提出通过联合优化无人机的水平轨迹、发射波束形成和智能反射表面相移，最大化单用户通信系统的平均保密率。也有人从安全性的角度出发，考虑窃听者所致最坏的情况下，联合优化无人机的轨迹、功率控制和智能反射表面相移，以达到单一用户的最大保密率。也有人提出将智能反射表面作为中继引入到无人机无线信息与能量同步传输(SWIPT)网络中，保证能量接收机的能量需求的同时，提高系统性能。但是，面对日趋增长的网络容量，单用户环境已不能良好的适用于当下环境，致使窃听者恶意窃取到用户信息的风险提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种在保证合法用户服务质量的情况下，通过对用户调度、无人机三维轨迹以及智能反射表面的反射相移进行了联合优化，从而最大化系统的平均保密率，避免用户信息被窃听的智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，该方法包括下列步骤：
[0007]S1、构建由一架无人机、一块智能反射表面、M个合法用户和一个活跃的窃听者组成的下行通信系统；所述智能反射表面固定部署在建筑物上，无人机在每个时隙内通过一条链路跟关联的合法用户进行通信，所述链路为无人机
‑
合法用户直接链路或无人机
‑
智能反射表面
‑
合法用户间接链路；
[0008]S2、设定目标问题P1，所述目标问题P1为通过联合优化用户调度、智能反射表面反
射相移以及无人机三维轨迹，最大化系统的平均保密率；
[0009]S3、任意设定智能反射表面的反射相移以及无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到最优的无人机用户调度；
[0010]S4、将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S3任意设定的无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到智能反射表面最优的反射相移；
[0011]S5、将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S4得到的智能反射表面最优的反射相移输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到无人机最优的三维轨迹。
[0012]作为优选，在步骤S2中，所述目标问题P1表示为：
[0013]P1:
[0014][0015][0016][0017]C4:z[1]＝z
init
,z[T]＝z
final
[0018][0019][0020]其中，Α表示用户调度，
[0021]α
m
[t]表示在t时隙内无人机与合法用户m关联关系的调度变量，α
m
[t]∈{0,1}，α
m
[t]＝1表示在t时隙内无人机服务于合法用户m，否则α
m
[t]＝0；Φ表示智能反射表面的反射相移矢量，＝0；Φ表示智能反射表面的反射相移矢量，表示t时隙内智能反射表面上第(n
x
,n
y
)个反射元素的相对于合法用户m所产生的相移；Q表示无人机的水平轨迹矢量，q[t]＝[x[t],y[t]]T
表示无人机的水平轨迹；H表示无人机的垂直轨迹矢量，H[t]表示无人机的垂直轨迹，无人机的三维轨迹由水平轨迹和垂直轨迹组成；R
m
[t]表示t时隙内地面用户m的可达和速率，表示M个合法用户的集合，m＝0表示为窃听者的索引，表示地面用户总数量，由M合法用户和一个窃听者组成，表示R
m,0
[t]的上界，R
m,0
[t]表示t时隙内窃听者m＝0的可达和速率；C1表示对用户关联调度的约束，C2表示确保在每个时隙内，无人机最多与一个合
法用户关联并进行信息传输，C3表示保证了每个合法用户的服务质量，C4表示无人机的初末位置约束，C5表示对智能反射表面反射相移的约束，C6和C7表示无人机的轨迹约束；Q
max
表示每个时隙无人机被允许的最大水平移动距离，Q
max
＝V
h
τ，H
max
表示每个时隙无人机被允许的最大垂直移动距离，H
max
＝V
z
τ，每个时隙的长度为τ秒，无人机在每个时隙内最大的水平飞行速度和垂直飞行速度分别为V
h
和V
z
。
[0022]作为优选，步骤S3的具体过程包括下列步骤：
[0023]S3.1、任意设定智能反射表面的反射相移以及无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化转化为目标问题P2：
[0024]P2:
[0025]s.t.C1,C2,C3；其中，表示系统平均保密率；
[0026]S3.2、对目标问题P2进行二元松弛转化为目标问题进行二元松弛转化为目标问题对目标问题进行迭代优化得到最优的无人机用户调度。
[0027]作为优选，在步骤S4中，将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S3任意设定的无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到t时隙内在合法用户m处的智能反射表面的最优反射相移为：
[0028]其中，
[0029]表示在t时隙内智能反射表面上第(n
x
,n
y
)个反射元素相对于用户m所产生的最优相移；是服从于零均值、单位方差的圆对称复高斯分布的随机散射分量；θ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：S1、构建由一架无人机、一块智能反射表面、M个合法用户和一个活跃的窃听者组成的下行通信系统；所述智能反射表面固定部署在建筑物上，无人机在每个时隙内通过一条链路跟关联的合法用户进行通信，所述链路为无人机
‑
合法用户直接链路或无人机
‑
智能反射表面
‑
合法用户间接链路；S2、设定目标问题P1，所述目标问题P1为通过联合优化用户调度、智能反射表面反射相移以及无人机三维轨迹，最大化系统的平均保密率；S3、任意设定智能反射表面的反射相移以及无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到最优的无人机用户调度；S4、将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S3任意设定的无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到智能反射表面最优的反射相移；S5、将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S4得到的智能反射表面最优的反射相移输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到无人机最优的三维轨迹。2.根据权利要求1所述的一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，其特征在于：在步骤S2中，所述目标问题P1表示为：其中，Α表示用户调度，α
m
[t]表示在t时隙内无人机与合法用户m关联关系的调度变量，α
m
[t]∈{0,1}，α
m
[t]＝1表示在t时隙内无人机服务于合法用户m，否则α
m
[t]＝0；Φ表示智能反射表面的反射相移矢量，[t]＝0；Φ表示智能反射表面的反射相移矢量，[t]＝0；Φ表示智能反射表面的反射相移矢量，表示t时隙内智能反射表面上第(n
x
,n
y
)个反射元素的相对于合法用户m所产生的相移；Q表示无人机的水平轨迹矢量，q[t]＝[x[t],y[t]]
T
表示无人机的水平轨迹；H表示无人机的垂直轨迹矢量，
H[t]表示无人机的垂直轨迹，无人机的三维轨迹由水平轨迹和垂直轨迹组成；R
m
[t]表示t时隙内地面用户m的可达和速率，[t]表示t时隙内地面用户m的可达和速率，表示M个合法用户的集合，m＝0表示为窃听者的索引，表示地面用户总数量，由M合法用户和一个窃听者组成，听者组成，表示R
m,0
[t]的上界，R
m,0
[t]表示t时隙内窃听者m＝0的可达和速率；C1表示对用户关联调度的约束，C2表示确保在每个时隙内，无人机最多与一个合法用户关联并进行信息传输，C3表示保证了每个合法用户的服务质量，C4表示无人机的初末位置约束，C5表示对智能反射表面反射相移的约束，C6和C7表示无人机的轨迹约束；Q
max
表示每个时隙无人机被允许的最大水平移动距离，Q
max
＝V
h
τ，H
max
表示每个时隙无人机被允许的最大垂直移动距离，H
max
＝V
z
τ，每个时隙的长度为τ秒，无人机在每个时隙内最大的水平飞行速度和垂直飞行速度分别为V
h
和V
z
。3.根据权利要求2所述的一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，其特征在于：步骤S3的具体过程包括下列步骤：S3.1、任意设定智能反射表面的反射相移以及无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化转化为目标问题P2：其中，表示系统平均保密率；S3.2、对目标问题P2进行二元松弛转化为目标问题进行二元松弛转化为目标问题对目标问题进行迭代优化得到最优的无人机用户调度。4.根据权利要求3所述的一种智能反射表面辅助下的无人机安全通信方法，其特征在于：在步骤S4中，将步骤S3得到的最优的无人机用户调度以及步骤S3任意设定的无人机的三维轨迹输入到步骤S2设定的目标问题P1中，由目标问题P1进行迭代优化得到t时隙内在合法用户m处的智能反射表面的最优反射相移为：其中，其中，表示在t时隙内智能反射表面上第(n
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟晓琪，刘娟，谢玲富，屈龙，王刚，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：