一种面向安全通信的无人机轨迹和资源设计方法及系统

本发明涉及无人机安全通信领域，尤其涉及一种面向安全通信的无人机轨迹和资源设计方法及系统。

背景技术：

1、作为一种发展迅速的技术，无人机由于其固有的高移动性和优秀的视线los信道的特性，在无线通信领域有着广泛的应用。受益于低成本和极低的传输路径损耗，相较于传统地面蜂窝网络，无人机无线通信网络被证明具有更优越的性能，是解决未来6g网络建设高成本低覆盖问题的有效途径。

2、特别的，由于无人机的高移动性为无人机无线通信网络引入额外的系统自由度，可以通过设计无人机和轨迹并合理规划网络资源分配，进一步提升网络性能，相关研究也如火如荼开展。2019年，hu等学者研究了无人机辅助的中继通信网络，通过联合设计无人机的飞行轨迹和对用户的调度系数，显著降低了网络能耗。2021年，nasir等人考虑了无人机通信网络的实际应用中由于城市建筑阻挡导致的小尺度衰落问题，通过研究更具一般性的莱斯信道模型下无人机轨迹和资源分配设计，极大程度提高了网络吞吐量性能。

3、尽管以上述工作为代表的一系列研究关于无人机通信系统中轨迹和资源分配联合设计方面的研究对提升系统性能具有一定的作用，但由于无人机网络中开放信道的原因，使得传输的相关数据极易被非法的窃听者获取，并且目前相关工作几乎不考虑传输可靠性需求，兼顾通信安全性和可靠性的研究依然是开放性问题。因此，面向安全通信网络的无人机轨迹和资源分配设计方法尚需继续研究。

技术实现思路

1、针对目前无人机安全通信网络中缺乏一般性兼顾传输安全性可靠性的无人机轨迹和功率联合设计方法这一现状，本发明提出了一种面向安全通信的无人机轨迹和资源分配联合设计算法及计算机可读介质，用以提升无人机安全通信网络的性能。

2、基于上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种面向安全通信的无人机轨迹和资源设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1：选取无人机、窃听者和多个地面用户，计算安全通信网络中用户安全通信吞吐量；

5、步骤2：根据安全通信网络中用户安全通信吞吐量构建优化问题的目标，分别构建优化问题的移动性约束、传输功率约束以及调度系数约束，基于安全通信网络中用户安全通信吞吐量构建优化问题的目标和约束建立安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题；

6、步骤3：基于凸近似方法得到无人机与用户间最大可达安全传输速率的下界凹近似函数，然后结合时隙长度得到用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数，再根据用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数构建连续凸近似问题的目标，最后根据连续凸近似问题的目标和步骤2构建的约束建立安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题；

7、步骤4：基于内点法迭代求解安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题，得到最优的无人机轨迹、无人机功率和用户调度系数。

8、进一步地，步骤1根据无人机的位置、地面用户的位置、窃听者的位置和无人机高度计算无人机与用户的距离以及无人机与窃听者的距离，然后结合单位距离下los信道增益、噪声功率以及无人机功率计算用户处和窃听者处的信噪比，再结合传输码长、最大解码错误概率和最大信息泄露概率计算无人机与用户间最大可达安全传输速率，最后根据无人机与用户间最大可达安全传输速率、用户调度系数以及时隙长度得到无人机安全通信网络中用户安全通信吞吐量。

9、进一步地，步骤1中所述无人机与用户的距离为：

10、

11、所述的无人机与窃听者的距离为：

12、

13、所述的用户处的信噪比为：

14、

15、所述的窃听者处的信噪比为：

16、

17、所述的无人机与用户间最大可达安全传输速率为：

18、

19、其中，k∈{1,...,k}为用户序号，代表第k个用户，k代表用户数目；n∈{1,...,n}为时隙序号，代表第n个时隙，n代表时隙数目；dk[n]代表第n个时隙无人机与第k个用户的距离；q[n]代表n个时隙无人机的位置，pk代表第k个用户的位置，h代表无人机高度；de[n]代表第n个时隙无人机与窃听者的距离；pe代表窃听者的位置；γk[n]代表第n个时隙第k个用户处的信噪比，γe[n]代表第n个时隙窃听者处的信噪比；β0代表单位距离下los信道增益，σ2代表噪声功率，p[n]代表无人机功率；rk[n]代表第n个时隙无人机与第k个用户间最大可达安全传输速率，m代表传输码长，ε1代表最大解码错误概率，ε2代表最大信息泄露概率；[·]+代表取正函数，q-1(·)代表q函数的逆函数。

20、进一步地，无人机安全通信网络中用户安全通信吞吐量为：

21、

22、其中dk代表第k个用户安全通信吞吐量；ak[n]代表第n个时隙第k个用户的调度系数，δt代表时隙长度。

23、进一步地，步骤2所述的构建优化问题的目标为：

24、

25、所述的传输功率约束为：

26、

27、所述的调度系数约束为：

28、

29、其中，q＝{q[n]}代表无人机轨迹，p＝{p[n]}代表无人机功率，a＝{ak[n]}代表用户调度系数；pmax代表无人机最大功率，代表无人机平均功率。

30、进一步地，所述构建的无人机隐蔽中继通信网络的轨迹和功率设计优化问题为：

31、

32、s.t.:||q[n]-q[n-1]||≤vδt,

33、

34、

35、即优化问题为通过优化无人机轨迹和资源分配，在移动性约束、传输功率约束和调度系数约束下最大化安全通信吞吐量最小用户的吞吐量。

36、进一步地，步骤3所述的无人机与用户间最大可达安全传输速率的下界凹近似函数为：

37、

38、步骤3所述的用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数为：

39、

40、步骤3所述的连续凸近似问题的目标为：

41、

42、步骤3所述的建立安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题为：

43、

44、s.t.:||q[n]-q[n-1]||≤vδt,

45、

46、

47、其中代表第n个时隙无人机与第k个用户间最大可达安全传输速率的下界凹近似函数，代表凸近似系数；分别代表均值不等式引入的系数，代表第k个用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数。

48、进一步地，凸近似系数的值分别为：

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、

58、

59、其中，代表第n个时隙迭代局部点对应无人机到用户的距离，代表第n个时隙迭代局部点对应无人机到窃听者的距离，p(r)[n]代表第n个时隙迭代局部点对应通信功率，代表第n个时隙迭代局部点对应用户处的信噪比，代表第n个时隙迭代局部点对应窃听者处的信噪比；

60、均值不等式引入的系数，其值分别为：

61、

62、

63、

64、其中，代表第n个时隙迭代局部点对应的无人机对第k个用户的调度系数。

65、进一步地，步骤4包括如下子步骤：

66、步骤4.1：在迭代的局部点处(q(r),p(r),a(r))将步骤2建立的安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题近似为步骤3所述的安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题；

67、步骤4.2：利用内点法求解步骤4.1的连续凸近似问题，得到本次迭代的优化解

68、步骤4.3：若本次迭代目标函数相较于上次目标函数的提升小于迭代阈值ε，则停止迭代，则本次迭代的优化解即为最优的无人机轨迹、无人机功率和用户调度系数否则将作为下次迭代的局部点回到步骤4.1继续迭代。

69、另一方面，本发明提供一种面向安全通信的无人机轨迹和资源设计系统，包括：

70、模块一：其用于选取无人机、窃听者和多个地面用户，计算安全通信网络中用户安全通信吞吐量；

71、模块二：其用于根据安全通信网络中用户安全通信吞吐量构建优化问题的目标，分别构建优化问题的移动性约束、传输功率约束以及调度系数约束，基于安全通信网络中用户安全通信吞吐量构建优化问题的目标和约束建立安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题；

72、模块三：其用于基于凸近似方法得到无人机与用户间最大可达安全传输速率的下界凹近似函数，然后结合时隙长度得到用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数，再根据用户安全通信吞吐量的下界凹近似函数构建连续凸近似问题的目标，最后根据连续凸近似问题的目标和步骤2构建的约束建立安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题；

73、模块四：其用于基于内点法迭代求解安全通信网络中无人机轨迹和资源分配设计优化问题的连续凸近似问题，得到最优的无人机轨迹、无人机功率和用户调度系数。

74、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

75、本发明提出一种无人机安全通信网络中无人机轨迹和资源分配联合设计算法，能够在移动性约束、传输功率约束和调度系数约束下最大化安全通信吞吐量最小用户的吞吐量。在算法在保障所有用户通信质量的基础上，充分考虑传输的安全性和可靠性，能够应用于未来5g+和6g对传输安全可靠性要求高的服务场景。