无人机通信方法、装置、设备及介质

1.本发明涉及通信安全传输技术领域，特别涉及无人机通信方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.无人机的灵活性以及无人机通信系统的视距传输特性，能有效提升无线网络的吞吐量。然而，由于复杂的传播环境，高频信号常会受到建筑物的遮挡，特别是在城市地区，视距los(line if sight)链路容易严重恶化，从而影响通信质量。近年来，智能反射面(intelligent reflection surface，即irs)，凭借其低成本的电磁单元控制无线信号的反射特性，改善信号的传播质量，引起了国内外学者的广泛关注。目前针对无人机通信安全的现有方案中主要有规划无人机的飞行路径提升能量效率，无人机协同干扰，但这些方案主要是通过增加合法信道的增益，降低窃听信道增益，来提升保密传输速率。上述方案大多以增加无人机辅助，或者是在发送端增加信息复杂度来提升安全，无疑会给无人机系统增加额外能量消耗和计算复杂度。
3.综上可见，如何将无人机的灵活特性与智能反射面的良好特性结合起来提升无人机的通信安全是本领域有待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机通信方法、装置、设备及介质，能够将无人机的灵活特性与智能反射面的良好特性结合起来提升无人机的通信安全。其具体方案如下：
5.第一方面，本技术公开了一种无人机通信方法，包括：
6.基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；
7.基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；
8.基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；
9.判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件，并基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
10.可选的，所述基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，包括：
11.创建三维笛卡尔坐标系，将目标无人机的单个飞行周期划分为预设数量个时隙，并获取相邻所述时隙之间的时间间隔，然后基于所述目标无人机的飞行速度、信号发射功率以及所述时间间隔，创建约束条件；
12.基于获取的非法节点位置信息、合法节点位置信息和所述约束条件构建以所述目标无人机的飞行轨迹信息、所述信号发射功率为变量的保密速率函数。
13.可选的，所述基于所述目标无人机的飞行速度、信号发射功率以及所述时间间隔，创建约束条件，包括：
14.基于所述时间间隔和所述飞行速度确定在单个所述时间间隔下的最大飞行距离和每一所述时间间隔下的飞行距离，并基于所述最大飞行距离和所述飞行距离创建第一约束条件；
15.获取每一所述时隙的所述信号发射功率，并确定出最大信号发射功率和平均信号发射功率，然后基于所述最大信号发射功率和所述平均信号发射功率创建第二约束条件。
16.可选的，所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，包括：
17.基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，设置智能反射面的第一位置信息和相移信息，并计算每一所述时隙下所述目标无人机与所述智能反射面之间的第一距离、所述智能反射面与所述合法节点之间的第二距离、所述目标无人机与所述合法节点之间的第三距离、所述目标无人机与非法节点之间的第四距离以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五距离；
18.利用所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述第四距离以及所述第五距离计算所述目标无人机与所述智能反射面的第一信道增益、所述目标无人机与所述合法节点的第二信道增益、所述目标无人机与所述非法节点的第三信道增益、所述智能反射面与所述合法节点的第四信道增益以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五信道增益，并基于所述第一信道增益、所述第二信道增益、所述第三信道增益、所述第四信道增益以及所述第五信道增益，利用cvx程序包和所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。
19.可选的，所述利用所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述第四距离以及所述第五距离计算所述目标无人机与所述智能反射面的第一信道增益、所述目标无人机与所述合法节点的第二信道增益、所述目标无人机与所述非法节点的第三信道增益、所述智能反射面与所述合法节点的第四信道增益以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五信道增益，并基于所述第一信道增益、所述第二信道增益、所述第三信道增益、所述第四信道增益以及所述第五信道增益，利用cvx程序包和所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，包括：
20.利用所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述第四距离以及所述第五距离计算出所述目标无人机与所述智能反射面之间的第一余弦值、所述智能反射面与所述合法节点之间的第二余弦值以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第三余弦值，并基于所述第一余弦值、所述第二余弦值和所述第三余弦值确定所述目标无人机与所述智能反射
面的第一信道增益、所述目标无人机与所述合法节点的第二信道增益、所述目标无人机与所述非法节点的第三信道增益、所述智能反射面与所述合法节点的第四信道增益以及所述智能反射面与非法节点之间的第五信道增益；
21.基于所述第一信道增益、所述第二信道增益、所述第三信道增益、所述第四信道增益和所述第五信道增益，计算出所述合法节点的第一信息速率和所述非法节点的第二信息速率，并利用所述第一信息速率、所述第二信息速率、所述cvx程序包以及所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。
22.可选的，所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，包括：
23.将所述智能反射面的所有反射单元的反射信号进行相位合并，以得到合并后反射信号，并获取所述合并后反射信号的相位角，以便基于所述相位角更新所述保密速率函数得到第一保密速率函数；
24.利用预设的第一松弛变量对所述第一保密速率函数进行更新，以得到第二保密速率函数，并基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，利用所述第二保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值、下一所述飞行轨迹信息和第二松弛变量。
25.可选的，所述基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值，包括：
26.基于下一所述飞行轨迹信息和泰勒公式对所述保密速率函数进行更新，以得到第三保密速率函数，并利用所述第三保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值。
27.第二方面，本技术公开了一种无人机通信装置，包括：
28.函数构建模块，用于基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数；
29.信息设置模块，用于设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；
30.轨迹计算模块，用于基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，利用预设程序包和所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；
31.信息计算模块，用于基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；
32.判断模块，用于判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件；
33.通信模块，用于基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
34.第三方面，本技术公开了一种电子设备，包括：
35.存储器，用于保存计算机程序；
36.处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的无人机通信方法的步骤。
37.第四方面，本技术公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的无人机通信方法的步骤。
38.可见，本技术首先基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件，并基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。由此可见，本技术构建保密速率函数时将非法节点位置信息和合法节点位置信息考虑在内，以便利用智能反射面提高目标无人机与合法节点的通信强度，降低非法节点获取通信数据的可能性；在判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件的过程中，不断优化目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率，进而最大化保密速率函数的函数值并且使得保密速率函数满足收敛条件，达到提高目标无人机的通信安全性的目的。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
40.图1为本技术公开的一种无人机通信方法流程图；
41.图2为本技术公开的一种具体的无人机通信示意图；
42.图3为本技术公开的一种具体的无人机通信方法流程图；
43.图4为本技术公开的一种具体的三维笛卡尔坐标系创建示意图；
44.图5为本技术公开的一种具体的无人机通信方法流程图；
45.图6为本技术公开的一种具体的飞行轨迹信息迭代优化示意图；
46.图7为本技术公开的一种具体的飞行轨迹信息迭代优化示意图；
47.图8为本技术公开的一种具体的保密速率函数值与迭代次数关系图；
48.图9为本技术公开的一种具体的当前函数值和下一函数值之间的关系变化图；
49.图10为本技术公开的一种具体的保密速率函数值对比示意图；
50.图11为本技术公开的一种无人机通信装置结构示意图；
51.图12为本技术公开的一种电子设备结构图。
具体实施方式
52.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
53.目前针对无人机通信安全的现有方案中主要有规划无人机的飞行路径提升能量效率、无人机协同干扰等，但这些方案主要是通过增加合法信道的增益，降低窃听信道增益，来提升保密传输速率。上述方案大多以增加无人机辅助，或者是在发送端增加信息复杂度来提升安全，无疑会给无人机系统增加额外能量消耗和计算复杂度。
54.为此本技术相应的提供了一种无人机通信方案，能够将无人机的灵活特性与智能反射面的良好特性结合起来提升无人机的通信安全。
55.参见图1所示，本技术实施例公开了一种无人机通信方法，包括：
56.步骤s11：基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率。
57.本实施例中，将目标无人机作为发送端(alice)，获取合法节点(bob)位置信息，并可以通过目标无人机的合成孔径雷达探测到非法节点(eve)位置信息，例如图2所示的一种具体的无人机通信示意图，以便利用智能反射面(irs)基于非法节点位置信息和合法节点位置信息构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数。其中在设置当前飞行轨迹信息qk和当前信号发射功率pk之前，还包括初始化循环次数k＝0，信号发射功率p0、智能反射面的相移θ0、松弛变量u0、z0、t0；在设置当前飞行轨迹信息qk和当前信号发射功率pk过程中，还包括设置智能反射面的当前相移θk以及第一松弛变量uk、zk、tk。
58.步骤s12：基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。
59.本实施例中，所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，包括：基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，设置智能反射面的第一位置信息和相移信息，并计算每一所述时隙下所述目标无人机与所述智能反射面之间的第一距离、所述智能反射面与所述合法节点之间的第二距离、所述目标无人机与所述合法节点之间的第三距离、所述目标无人机与非法节点之间的第四距离以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五距离；利用所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述第四距离以及所述第五距离计算所述目标无人机与所述智能反射面的第一信道增益、所述目标无人机与所述合法节点的第二信道增益、所述目标无人机与所述非法节点的第三信道增益、所述智能反射面与所述合法节点的第四信道增益以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五信道增益，并基于所述第一信道增益、所述第二信道增益、所述第三信道增益、所述第四信道增益以及所述第五信道增益，利用cvx程序包和所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息q
k+1
。其中，cvx程序包属于matlab程序包，并且可以获取到智能反射面的下一相移θ
k+1
以及第二松弛变量u
k+1
、z
k+1
、t
k+1
。
60.步骤s13：基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号
发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值。
61.本实施例中，可以理解的是，下一飞行轨迹信息为当前飞行轨迹信息优化后的飞行轨迹信息，下一信号发射功率p
k+1
为当前信号发射功率优化后的信号发射功率，因此基于下一飞行轨迹信息和下一信号发射功率计算出的下一函数值相较于当前函数值更加接近最大化的函数值。
62.步骤s14：判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件。
63.本实施例中，判断当前函数值和下一函数值之间是否满足预设收敛条件，其中预设收敛条件可以为预设门限值，例如预设门限值为10-4
，计算下一函数值与当前函数值之间的差值，然后判断该差值与下一函数值之间的倍数关系是否小于等于预设门限值10-4
，如果小于等于预设门限值10-4
，则判定当前函数值和下一函数值之间满足预设收敛条件，并停止重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤；如果大于预设门限值10-4
，则判定当前函数值和下一函数值之间不满足预设收敛条件，将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至当前函数值和下一函数值之间满足所述预设收敛条件。其中，判断当前函数值和下一函数值之间是否满足预设收敛条件所涉及公式如下所示：
[0064][0065]
式中，表示下一函数值，表示当前函数值，ψ表示预设门限值。
[0066]
步骤s15：基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
[0067]
本实施例中，如果当前函数值和下一函数值之间满足所述预设收敛条件，则基于与当前函数值对应的当前飞行轨迹信息和当前信号发射功率进行目标无人机与合法节点之间的通信，可以理解的是，当前函数值为最大化的保密速率函数的函数值，因此基于与当前函数值对应的当前飞行轨迹信息和当前信号发射功率进行目标无人机与合法节点之间的通信，达到了尽可能的提高目标无人机与合法节点之间的通信安全的目的。
[0068]
可见，本技术首先基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预
设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件，并基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。由此可见，本技术构建保密速率函数时将非法节点位置信息和合法节点位置信息考虑在内，以便利用智能反射面提高目标无人机与合法节点的通信强度，降低非法节点获取通信数据的可能性；在判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件的过程中，不断优化目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率，进而最大化保密速率函数的函数值并且使得保密速率函数满足收敛条件，达到提高目标无人机的通信安全性的目的。
[0069]
参见图3所示，本技术实施例公开了一种具体的无人机通信方法，包括：
[0070]
步骤s21：创建三维笛卡尔坐标系，将目标无人机的单个飞行周期划分为预设数量个时隙，并获取相邻所述时隙之间的时间间隔，然后基于所述目标无人机的飞行速度、信号发射功率以及所述时间间隔，创建约束条件。
[0071]
本实施例中，所述基于所述目标无人机的飞行速度、信号发射功率以及所述时间间隔，创建约束条件，包括：基于所述时间间隔和所述飞行速度确定在单个所述时间间隔下的最大飞行距离和每一所述时间间隔下的飞行距离，并基于所述最大飞行距离和所述飞行距离创建第一约束条件；获取每一所述时隙的所述信号发射功率，并确定出最大信号发射功率和平均信号发射功率，然后基于所述最大信号发射功率和所述平均信号发射功率创建第二约束条件。例如图4所示的一种具体的三维笛卡尔坐标系创建示意图，因为合法节点与目标无人机通信时存在直射路径和反射路径，所以合法节点与目标无人机之间建模为瑞利衰落模型；因为智能反射面与目标无人机通信时为直射路径，所以智能反射面与目标无人机之间建模为莱斯衰落模型。非法节点位置信息为[x
eve
,y
eve
,0]，其中x
eve
为该非法节点位置信息的横坐标，y
eve
该非法节点位置信息的纵坐标，该非法节点位置信息水平投影为q
eve
＝[x
eve
,y
eve
]；为了防止目标无人机相撞，将目标无人机的飞行高度设定为h1，设定目标无人机的单个飞行周期为t，单个飞行周期的单位为s，将单个飞行周期划分为n个时隙，相邻时隙之间的时间间隔为d
t
，需要注意的是，当时间间隔越小，目标无人机相邻时隙之间的位置可以视为不变，因此目标无人机在每个时隙的坐标为[x(n),y(n),h1]，其中x(n)为每个时隙下目标无人机的横坐标，y(n)为每个时隙下目标无人机的纵坐标，目标无人机在每个时隙的水平投影为q
uav
(n)＝[x(n),y(n)]；若目标无人机的最大飞行速度为v
max
，则每个时隙目标无人机的最大飞行距离为v
max
·dt
，可以理解的是，目标无人机起点和终点分别为[x(1),y(1),h1]和[x(n),y(n),h1]，其中x(1)表示目标无人机起点的横坐标，y(1)表示目标无人机起点的纵坐标，x(n)表示目标无人机终点的横坐标，y(n)表示目标无人机终点的纵坐标；将智能反射面的部署高度为h2，智能反射面的位置信息为[x
irs
,y
irs
,h2]，x
irs
为智能反射面的横坐标，y
irs
为智能反射面的纵坐标，该智能反射面的水平投影为q
irs
＝[x
irs
,y
irs
]。其中周期和时间间隔满足如下关系：
[0072]
t＝n
·dt
；
[0073]
基于所述最大飞行距离和所述飞行距离创建第一约束条件如下所示：
[0074]
(x(n+1)-x(n))2+(y(n+1)-y(n))2≤v
max
·dt
；n＝(1,2,
…
n-1)；
[0075]
式中，x(n+1)表示目标无人机下一时隙的横坐标，x(n)表示目标无人机当前时隙的横坐标，y(n+1)表示目标无人机下一时隙的纵坐标，y(n)表示目标无人机当前时隙的纵坐标，v
max
表示目标无人机的最大飞行速度，d
t
表示相邻时隙之间的时间间隔，n表示时隙的预设数量。
[0076]
基于所述最大信号发射功率和所述平均信号发射功率创建第二约束条件如下所示：
[0077][0078]
式中，p(n)表示目标无人机在每个时隙的信号发射功率，p
peak
表示目标无人机的最大信号发射功率，表示目标无人机的平均信号发射功率，n表示时隙的预设数量。
[0079]
步骤s22：基于获取的非法节点位置信息、合法节点位置信息和所述约束条件构建以所述目标无人机的飞行轨迹信息、所述信号发射功率为变量的保密速率函数。
[0080]
步骤s23：基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。
[0081]
本实施例中，所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，具体包括：基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，设置智能反射面的第一位置信息和相移信息，并计算每一所述时隙下所述目标无人机与所述智能反射面之间的第一距离、所述智能反射面与所述合法节点之间的第二距离、所述目标无人机与所述合法节点之间的第三距离所述目标无人机与非法节点之间的第四距离、以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五距离；利用所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述第四距离以及所述第五距离计算出所述目标无人机与所述智能反射面之间的第一余弦值、所述智能反射面与所述合法节点之间的第二余弦值以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第三余弦值，并基于所述第一余弦值、所述第二余弦值和所述第三余弦值确定所述目标无人机与所述智能反射面的第一信道增益、所述目标无人机与所述合法节点的第二信道增益、所述目标无人机与所述非法节点的第三信道增益、所述智能反射面与所述合法节点的第四信道增益以及所述智能反射面与所述非法节点之间的第五信道增益；基于所述第一信道增益、所述第二信道增益、所述第三信道增益、所述第四信道增益和所述第五信道增益，计算出所述合法节点的第一信息速率和所述非法节点的第二信息速率，并利用所述第一信息速率、所述第二信息速率、所述cvx程序包以及所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。其中，每一所述时隙下目标无人机与智能反射面之间的第一距离计算公式如下所示：
[0082][0083]
式中，d
uav-irs
(n)表示每一所述时隙下目标无人机与智能反射面之间的第一距离，q
uav
[n]表示目标无人机在每个时隙的水平投影，q
irs
表示智能反射面的水平投影。
[0084]
智能反射面与合法节点之间的第二距离计算公式如下所示：
[0085][0086]
式中，d
irs-bob
(n)表示智能反射面与合法节点之间的第二距离，q
irs
表示智能反射面的水平投影，q
bob
表示合法节点位置信息水平投影，h2表示智能反射面的部署高度。
[0087]
目标无人机与合法节点之间的第三距离计算公式如下所示：
[0088][0089]
式中，d
uav-bob
表示目标无人机与合法节点之间的第三距离，q
uav
[n]表示目标无人机在每个时隙的水平投影，q
bob
表示合法节点位置信息水平投影，h1表示目标无人机的飞行高度。
[0090]
目标无人机与非法节点之间的第四距离计算公式如下所示：
[0091][0092]
式中，d
uav-eve
表示目标无人机与非法节点之间的第四距离，q
uav
[n]表示目标无人机在每个时隙的水平投影，q
eve
表示非法节点位置信息水平投影，，h1表示目标无人机的飞行高度。
[0093]
智能反射面与非法节点之间的第五距离计算公式如下所示：
[0094][0095]
式中，d
irs-eve
(n)表示智能反射面与非法节点之间的第五距离，q
irs
表示智能反射面的水平投影，q
eve
表示非法节点位置信息水平投影，h2表示智能反射面的部署高度。
[0096]
目标无人机与智能反射面之间的第一余弦值计算公式如下所示：
[0097][0098]
式中，x(n)表示目标无人机每一时隙的横坐标，x
irs
表示智能反射面的横坐标，d
uav-irs
(n)表示每一所述时隙下目标无人机与智能反射面之间的第一距离。
[0099]
智能反射面与合法节点之间的第二余弦值计算公式如下所示：
[0100][0101]
式中，x
irs
表示智能反射面的横坐标，x
bob
表示合法节点位置信息的横坐标，d
irs-bob
智能反射面与合法节点之间的第二距离。
[0102]
智能反射面与非法节点之间的第三余弦值计算公式如下所示：
[0103][0104]
式中，x
irs
表示智能反射面的横坐标，x
eve
表示非法节点位置信息的横坐标，d
irs-eve
智能反射面与非法节点之间的第五距离。
[0105]
目标无人机与智能反射面的第一信道增益计算公式如下所示：
[0106][0107]
式中，h0表示参考距离下的路径损耗，d
uav-irs
(n)表示每一所述时隙下目标无人机
与智能反射面之间的第一距离，φ
uav-irs
(n)表示目标无人机与智能反射面之间的第一余弦值，λ表示载波波长，d表示天线间距，m表示智能反射面的反射单元的数量，t表示单个飞行周期。
[0108]
目标无人机与合法节点的第二信道增益计算公式如下所示：
[0109][0110]
式中，ρ
uav-bob
为服从均值为零，方差为一的复高斯随机分布的随机散射分量d
uav-bob
表示目标无人机与合法节点之间的第三距离，h0表示参考距离下的路径损耗。κ为无人机到合法节点的路径损耗因子。
[0111]
目标无人机与非法节点的第三信道增益计算公式如下所示：
[0112][0113]
式中，ρ
uav-eve
为服从均值为零，方差为一的复高斯随机分布的随机散射分量，d
uav-eve
表示目标无人机与非法节点之间的第四距离，h0表示参考距离下的路径损耗。κ为无人机到非法节点的路径损耗因子。
[0114]
智能反射面与合法节点的第四信道增益计算公式如下所示：
[0115][0116]
式中，d
irs-bob
(n)表示智能反射面与合法节点之间的第二距离，h0表示参考距离下的路径损耗，α表示irs到合法节点的路径损耗因子，λ表示载波波长，d表示天线间距，φ
irs-bob
表示智能反射面与合法节点之间的第二余弦值，m表示智能反射面的反射单元的数量，t表示单个飞行周期。
[0117]
智能反射面与非法节点的第五信道增益计算公式如下所示：
[0118][0119]
式中，d
irs-eve
(n)表示智能反射面与非法节点之间的第五距离，h0表示参考距离下的路径损耗，α表示irs到非法节点的路径损耗因子，λ表示载波波长，d表示天线间距，φ
irs-bob
表示智能反射面与合法节点之间的第二余弦值，m表示智能反射面的反射单元的数量，t表示单个飞行周期。
[0120]
合法节点的第一信息速率计算公式如下所示：
[0121][0122]
式中，(*)h表示求共轭转置，δ2表示噪声功率，g
uav-bob
(n)表示目标无人机与合法节点的第二信道增益，g
irs-bob
(n)表示智能反射面与合法节点的第四信道增益，p(n)表示目标无人机在每个时隙的信号发射功率，θ(n)表示智能反射面在第n个时隙的相移信息，g
uav-irs
(n)表示目标无人机与智能反射面的第一信道增益，g
uav-bob
(n)表示目标无人机与合法节点的第二信道增益。
[0123]
非法节点的第二信息速率计算公式如下所示：
[0124][0125]
式中，δ2表示噪声功率，p(n)表示目标无人机在每个时隙的信号发射功率。
[0126]
保密速率函数计算公式如下所示：
[0127][0128]
式中，r
bob
(n)表示合法节点的第一信息速率，r
eve
(n)表示非法节点的第二信息速率，n表示时隙的预设数量。
[0129]
最大化保密速率函数即为如下公式：
[0130][0131]
并满足第一约束条件：
[0132]
(x(n+1)-x(n))2+(y(n+1)-y(n))2≤v
max
·dt
；n＝(1,2,
…
n-1)；
[0133]
也满足第二约束条件：
[0134][0135]
本实施例中，所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息，具体包括：将所述智能反射面的所有反射单元的反射信号进行相位合并，以得到合并后反射信号，并获取所述合并后反射信号的相位角，以便基于所述相位角更新所述保密速率函数得到第一保密速率函数；利用预设的第一松弛变量对所述第一保密速率函数进行更新，以得到第二保密速率函数，并基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，利用所述第二保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值、下一所述飞行轨迹信息和第二松弛变量。其中，将所述智能反射面的所有反射单元的反射信号进行相位合并以得到合并后反射信号，所涉及计算公式如下：
[0136][0137]
式中，m为irs反射单元的数量，θm(n)表示智能反射面的在第n个时隙第m个反射单元的相位。
[0138]
将来自不同反射单元的信号进行合并：
[0139][0140]
将上述公式表示为第n个时隙第m个反射单元的相位角的形式：
[0141]
[0142]
将表示为如下形式：
[0143][0144]
合法节点的第一信息速率可以为如下表示形式：
[0145][0146]
非法节点的第二信息速率可以为如下表示形式：
[0147][0148]
因此最大化第一保密速率函数的形式如下所示：
[0149][0150]
并满足第一约束条件：
[0151]
(x(n+1)-x(n))2+(y(n+1)-y(n))2≤v
max
·dt
；n＝(1,2,
…
n-1)；
[0152]
也满足第二约束条件：
[0153][0154]
引入预设的第一松弛变量对所述第一保密速率函数进行更新，其中第一松弛变量为u以及t：
[0155]
u＝[u(1),u(2)...u(n)]；
[0156]
t＝[t(1),t(2)...t(n)]；
[0157]
令则合法节点第一保密速率函数的形式如下所示：
[0158][0159]
采用sca方法，将上述非凹函数以及非凸约束进行变换，在给定初始点u0＝[u0(1),u0(2),
…
u0(n)]，t0＝[t0(1),t0(2),
…
t0(n)]；进行一阶泰勒展开，如下所示：
[0160][0161]
其中a
bob,fea
(n)，b
bob,fea
(n)，c
bob,fea
(n)分别为：
[0162][0163][0164][0165][0166]
对非法节点的第一信息速率求期望，并利用琴生不等式，解得其上界为：
[0167][0168]
引入预设的第二松弛变量处理所述非法节点第一信息速率的非凸性。
[0169][0170]
将上式的两个不等式约束，在q0＝[q0(1),q0(2),
…
q0(n)]进行一阶泰勒展开得到其标准非凸约束：
[0171][0172]
所以利用r'
bob
(n)，r'
eve
(n)对第一保密速率函数进行更新，以得到第二保密速率
函数，最大化第二保密速率函数的形式如下所示：
[0173][0174]
并满足第一约束条件：
[0175]
(x(n+1)-x(n))2+(y(n+1)-y(n))2≤v
max
·dt
；n＝(1,2,
…
n-1)；
[0176]
也满足第二约束条件：
[0177][0178]
采用cvx程序包进行求解，解得在给定功率下的目标无人机的下一飞行轨迹信息、智能反射面的下一相移。
[0179]
步骤s24：基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值。
[0180]
步骤s25：判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件。
[0181]
步骤s26：基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
[0182]
由此可见，本技术方案中，通过不断优化目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率进而最大化保密速率函数的函数值，以此达到尽可能提高无人机与合法节点的通信安全性。
[0183]
参见图5所示，本技术实施例公开了一种无人机通信方法，包括：
[0184]
步骤s31：基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率。
[0185]
本实施例中，目标无人机的单个飞行周期t＝300，将单个飞行周期划分为n＝120个时隙,飞行高度h1＝50m，智能反射面部署在非法节点与合法节点连线的中间位置的建筑物外墙表面，建筑物高为h2＝40m，智能反射面的三维位置为[50,0,40]，目标无人机的最大飞行速度为v
max
＝8m/s，目标无人机的起点位置和终点位置分别为[100,-600,50]、[100,600,50]，合法节点位置信息为[0,0,0]，非法节点位置信息为[200,0,0]，目标无人机的平均信号传输功率为最大信号传输功率为p
peak
＝2.4w，参考距离路径损耗为-20db，
噪声功率为-80dbm，无人机到地面节点的路径损耗因子为κ＝3，irs到地面节点的路径损耗因子为α＝2.5，预设门限值为ψ＝10-3
。
[0186]
步骤s32：基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息。
[0187]
本实施例中，例如图6所示的12次飞行轨迹信息迭代优化过程，从曲线的分布情况可看出，目标无人机(uav)的飞行轨迹信息主要分布在合法节点和智能反射面(irs)之间，且随着迭代次数增加，多次迭代优化后的飞行轨迹信息趋近于一致。将优化后的飞行轨迹信息以及未优化的初始飞行轨迹信息进行对比，如图7所示，通过观察最终优化后的飞行轨迹信息图，以及图7中黑色方框放大部分可见，目标无人机在满足有限时间内飞往终点的要求时，会在合法节点与irs之间，放慢飞行速度，并做适当停留，使得在每个时隙中的保密速率函数的函数值最大化。与未部署irs的情况不同，目标无人机飞往合法节点上空时会往irs所部署的位置上空靠近，这也说明，为使得合法节点接收到来自目标无人机本身的信号以及来自irs反射信号最大化，需使得目标无人机在合法节点以及irs之间寻找最优位置。
[0188]
步骤s33：基于下一所述飞行轨迹信息和泰勒公式对所述保密速率函数进行更新，以得到第三保密速率函数，并利用所述第三保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值。
[0189]
本实施例中，令
[0190][0191]
则合法节点的第一信息速率为：
[0192]rbob
(n)＝log2(1+p[n]
·
a(n))；
[0193]
非法节点的第二信息速率为：
[0194]reve
(n)＝log2(1+p[n]
·
b(n))；
[0195]
所以第n个时隙的保密速率函数为如下所示：
[0196]rbob
(n)-r
eve
(n)＝log2(1+p[n]
·
a(n))-log2(1+p[n]
·
b(n))；
[0197]
在p0＝[p0(1),p0(2)...p0(n)]处利用泰勒公式进行一阶泰勒展开，处理其非凹性，则如下所示：
[0198][0199]
通过上述相关公式获取第三保密速率函数，并最大化第三保密速率函数为如下形式：
[0200][0201]
并满足第一约束条件：
[0202]
(x(n+1)-x(n))2+(y(n+1)-y(n))2≤v
max
·dt
；n＝(1,2,
…
n-1)；
[0203]
也满足第二约束条件：
[0204][0205]
采用cvx程序包进行求解,解得下一信号发射功率。
[0206]
步骤s34：判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件。
[0207]
本实施例中，例如图8所示的保密速率函数值与迭代次数关系图中，显示了在14次迭代优化过程中的平均保密速率函数的曲线变化，在迭代至4次后平均保密速率几乎不变。例如图9所示的基于迭代次数当前函数值和下一函数值之间的关系变化图中，迭代优化至4次后，当前函数值和下一函数值之间的关系满足预设收敛条件。
[0208]
步骤s35：基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
[0209]
本实施例中，例如图10，在同样的环境参数配置相同的条件下，本技术方案的各个时隙下保密速率函数的函数值分别与如下方案的对比：未经过轨迹优化，未部署irs；经过轨迹优化，未部署irs；未经过轨迹优化，部署irs。从图10可见：对比经过路径优化但未部署irs的方案，irs的加入能明显提升保密速率。对比部署irs但未进行路径优化的方案，亦能发现本技术方案形成了保密速率曲线与横轴包围的面积更大，意味着其平均保密速率也比未经过路径优化的方案更高。可见通过irs的部署，并优化无人机的飞行轨迹能显著提升系统的安全性能。
[0210]
由此可见，本技术获取非法节点和合法节点的位置信息，并利用智能反射面通过优化无人机飞行轨迹信息和信号发射功率，以达到提高无人机与合法节点的通信强度，提高通信安全性的目的。
[0211]
参见图11所示，本技术实施例公开了一种无人机通信装置，包括：
[0212]
函数构建模块11，用于基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数；
[0213]
信息设置模块12，用于设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；
[0214]
轨迹计算模块13，用于基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，利用预设程序包和所述保密速率函数得出所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；
[0215]
信息计算模块14，用于基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；
[0216]
判断模块15，用于判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件；
[0217]
通信模块16，用于基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。
[0218]
可见，本技术首先基于获取的非法节点位置信息和合法节点位置信息，构建以目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率为变量的保密速率函数，并设置当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率；基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息；基于下一所述飞行轨迹信息，利用所述保密速率函数得到下一所述信号发射功率，并计算所述保密速率函数的下一函数值；判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，若否则将下一所述飞行轨迹信息和下一所述信号发射功率分别作为当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，然后重新跳转至所述基于当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率，并利用所述保密速率函数确定所述保密速率函数的当前函数值和下一所述飞行轨迹信息的步骤，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件，并基于与所述当前函数值对应的当前所述飞行轨迹信息和当前所述信号发射功率进行所述目标无人机与合法节点之间的通信。由此可见，本技术构建保密速率函数时将非法节点位置信息和合法节点位置信息考虑在内，以便利用智能反射面提高目标无人机与合法节点的通信强度，降低非法节点获取通信数据的可能性；在判断所述当前函数值和所述下一函数值之间是否满足预设收敛条件，直至所述当前函数值和所述下一函数值之间满足所述预设收敛条件的过程中，不断优化目标无人机的飞行轨迹信息和信号发射功率，进而最大化保密速率函数的函数值并且使得保密速率函数满足收敛条件，达到提高目标无人机的通信安全性的目的。
[0219]
图12为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图。具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的由电子设备执行的无人机通信方法中的相关步骤。
[0220]
本实施例中，电源23用于为电子设备上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本技术技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
[0221]
其中，处理器21可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器21可以采用dsp(digital signal processing，数字信号处理)、fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)、pla(programmable logic array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称cpu(central processing unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器21可以在集成有gpu(graphics processing unit，图像处理器)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器21还可以包括ai(artificial intelligence，人工智能)处理器，该ai处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
[0222]
另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
[0223]
其中，操作系统221用于管理与控制电子设备上的各硬件设备以及计算机程序222，以实现处理器21对存储器22中海量数据223的运算与处理，其可以是windows、unix、linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备执行的无人机通信方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据223除了可以包括电子设备接收到的由外部设备传输进来的数据，也可以包括由自身输入输出接口25采集到的数据等。
[0224]
进一步的，本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的由无人机通信过程中执行的方法步骤。
[0225]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0226]
以上对本发明所提供的一种无人机通信方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。