本發(fā)明涉及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，特別涉及一種基于irs的無人機(jī)安全通信方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子攻擊技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)所處的外部電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡劣，惡意節(jié)點(diǎn)的智能化水平不斷提升，無人機(jī)系統(tǒng)物理層安全問題日益突出。傳統(tǒng)的基于密碼體制的鑒權(quán)、加密算法，破解密碼的計(jì)算復(fù)雜度保證了算法的有效性。但是，一方面這種建立在計(jì)算復(fù)雜度上的安全并未得到完美的數(shù)學(xué)證明；另一方面，未來計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力與運(yùn)算速度的提升也將進(jìn)一步對公鑰密碼體制的安全性提出挑戰(zhàn)。

2、目前，物理層安全技術(shù)主要可以通過波束賦形、人工噪聲等信號處理技術(shù)和合理的資源管理來提升通信系統(tǒng)的安全性能。然而，在無人機(jī)通信中，節(jié)點(diǎn)位置高速移動(dòng)和位置隨機(jī)、信道狀態(tài)快速時(shí)變，無線資源日益緊缺；同時(shí)，通信對抗技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)的深度融合，攻擊類型不斷變化，智能化水平不斷提升，傳統(tǒng)的基于物理層安全的方法難以靈活應(yīng)對。

3、究其本質(zhì)，主要有以下幾個(gè)方面的原因：一是無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)面臨的物理層安全威脅日益加劇；二是無人機(jī)通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性加劇信道的隨機(jī)性；三是無人機(jī)物理層安全傳輸覆蓋性能較差。綜上所述，無人機(jī)安全通信問題已經(jīng)稱為亟需解決問題。

4、近年來，一種無線技術(shù)智能反射面(intelligentreflectingsurface，irs)技術(shù)被廣泛研究，為解決無人機(jī)系統(tǒng)物理層安全問題帶來新的思路。無人機(jī)通信系統(tǒng)由于其特殊性，信號的傳播本質(zhì)上是隨機(jī)的，很大程度是不要可控的。而智能反射面可以通過軟件控制反射，來重構(gòu)無線傳播環(huán)境。具體來說，irs是由大量低成本無源反射單元組成的平面，每個(gè)單元可以獨(dú)立改變?nèi)肷湫盘柕恼穹蛘呦辔?，從而協(xié)助實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的三維波束成形。

5、智能反射面的使用，可以為無人機(jī)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、傳輸速率、物理層安全性能帶來一定的提升。近年來，智能反射面輔助的無人機(jī)通信系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。

6、比如，文獻(xiàn)1[l.yang,f.meng,j.zhang,et?al.on?the?performance?of?ris-assisted?dual-hop?uav?communication?systems[j].ieee?transactions?on?vehiculartechnology,2020,69(9):10385–10390]中的智能反射面被用做中繼輔助無人機(jī)系統(tǒng)，由仿真結(jié)果可知，部署了智能反射面的無人機(jī)系統(tǒng)的覆蓋率和可靠性都得到顯著的提高。

7、文獻(xiàn)2[s.li,b.duo,x.yuan,etal.reconfigurable?inteblligent?surfaceassisted?uav?communication:joint?trajectory?design?and?passive?beamforming[j].ieee?wireless?communications?letters,2020,9(5):716–720]中，無人機(jī)被用作空中移動(dòng)基站，在智能反射面的協(xié)助下為地面用戶提供服務(wù)。通過對無人機(jī)飛行航跡和智能反射面被動(dòng)波束賦形的聯(lián)合優(yōu)化最大化平均可達(dá)速率，并給出在任意給定無人機(jī)飛行航跡條件下智能反射面的相位偏移矩陣的閉式解。

8、文獻(xiàn)3[q.zhang,w.saad,m.bemmnis.reflections?in?the?sky:millimeter?wavecommunication?with?uav-carried?intelligent?reflectors[c].2019ieee?globalcommunications?conference(globecom),waikoloa,hi,usa,2019,1-6.]中，智能反射面被放置在無人機(jī)上，對無los的地面用戶提供中繼服務(wù)。文獻(xiàn)3提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的下行傳輸容量最大化算法。

9、文獻(xiàn)4[l.ge,p.dong,h.zhang,etal.joint?beamforming?and?trajectoryoptimization?for?intelligentreflecting?surfaces-assisted?uav?communications[j].ieee?access,2020,8:78702–78712]中則設(shè)計(jì)了多個(gè)智能反射面和一個(gè)多天線無人機(jī)的場景，并通過聯(lián)合優(yōu)化智能反射面被動(dòng)波束賦形、發(fā)射波束賦形來最大化接收功率。

10、文獻(xiàn)5[m.hua,l.yang,q.wu,etal.uav-assisted?intelligent?reflectingsurface?symbiotic?radio?system[eb/ol].https://arxiv.org/abs/2007.14029,january,2021]研究了無人機(jī)輔助的智能反射面共生無線電系統(tǒng)，系統(tǒng)中無人機(jī)作為智能反射面的中繼，輔助其實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

11、綜上所述，雖然irs的使用對解決無人機(jī)通信系統(tǒng)物理層安全帶來了新的發(fā)展契機(jī)，但依然面臨一些亟需解決的問題。由于智能反射面可改變?nèi)肷湫盘柕恼穹蛘呦辔?，因此能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)粒度的波束賦形。

12、但是智能反射面作為一種硬件，因?yàn)楫?dāng)前硬件的關(guān)系，反射面還沒辦法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的相位變化，只能做到提供離散的相位偏移。目前部分團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)1bit相位偏轉(zhuǎn)(也就是180度或者不偏轉(zhuǎn))，而相位的調(diào)整影響波束賦形的精度。如何提高相位調(diào)整技術(shù)，使相位調(diào)整更接近實(shí)際無人機(jī)系統(tǒng)并提高波束賦形精度，從而提高系統(tǒng)物理層安全性能值得深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于irs的無人機(jī)安全通信方法，擬將智能反射面波束賦形和相位調(diào)整相結(jié)合的方案，通過得到波束賦形及相位調(diào)整的最優(yōu)解，提高系統(tǒng)物理層的安全性能。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提出了一種基于irs的無人機(jī)安全通信方法，通過部署在兩通信無人機(jī)a和無人機(jī)b之間的irs進(jìn)行協(xié)調(diào)，irs搭載在無人機(jī)c上，通信系統(tǒng)內(nèi)存在竊聽無人機(jī)e，通過調(diào)整無人機(jī)a發(fā)送信號的相位，使其對準(zhǔn)無人機(jī)b，完成信號的轉(zhuǎn)發(fā)過程，提高系統(tǒng)的安全速率；

4、其中通信系統(tǒng)的安全速率r與波束賦形向量w和irs相位θ相關(guān)，采用交替優(yōu)化波束賦形向量w與irs相位θ的方法，依次得到最優(yōu)波束賦形向量w和irs相位θ，從而計(jì)算得到系統(tǒng)安全速率r的最大值。

5、在一些實(shí)施方式中，通信系統(tǒng)的傳輸過程包括以下步驟：

6、s1:無人機(jī)a廣播信號，智能反射面接收到的信號為：

7、

8、其中，xi為i時(shí)刻發(fā)送的信息序列，p為無人機(jī)a的發(fā)送功率，n’ai為irs收到的均值為0，方差為的加性高斯白噪聲；

9、s2:irs接收轉(zhuǎn)發(fā)，無人機(jī)b、竊聽無人機(jī)e分別接收到的信號為：

10、

11、其中，

12、為反射相位對角矩陣，β∈[0,1]為反射面幅度，θ∈[0,2π]為反射面相移，nb、ne為均值為0，方差分別為的加性高斯白噪聲，xi＝ws(t)為無人機(jī)a發(fā)送的消息序列；

13、s3:計(jì)算通信系統(tǒng)的安全速率r，無人機(jī)b、竊聽無人機(jī)e的安全速率分別為：

14、

15、

16、因此，通信系統(tǒng)的安全速率r為：

17、

18、其中，w∈cm×1為波束賦形向量，s(t)為t時(shí)刻廣播的信號，并且||w||2≤pmax，e{|s(t)|2}＝1，pmax為無人機(jī)a的最大發(fā)射功率。

19、在一些實(shí)施方式中，為提高無人機(jī)信道的安全傳輸，求得通信系統(tǒng)的安全速率r的最大值為：

20、

21、由上式可知，安全速率與θ、w有關(guān)，并且目標(biāo)函數(shù)對于變量θ、w具有非凸性，因此采用交替優(yōu)化達(dá)到最優(yōu)解的方法達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最大化。

22、在一些實(shí)施方式中，交替優(yōu)化波束賦形向量w與irs相位θ的方法包括以下流程：

23、步驟一，向仿真數(shù)據(jù)模型內(nèi)輸入波束賦形向量w、irs相位θ及無人機(jī)a的發(fā)射功率p；

24、步驟二，給定irs相位θ，優(yōu)化波束賦形向量w；

25、步驟三，給定波束賦形向量w，優(yōu)化irs相位θ；

26、步驟四，求出黎曼子流形m梯度最快的下降方向；

27、步驟五，采用最優(yōu)波束賦形向量w和irs相位θ計(jì)算系統(tǒng)安全速率r，得到系統(tǒng)安全速率r的最大值。

28、在一些實(shí)施方式中，步驟二中對波束賦形向量w進(jìn)行優(yōu)化處理時(shí)，假設(shè)irs相位θ一定，

29、

30、

31、則公式(7)可轉(zhuǎn)化為：

32、

33、由瑞利里茲定理可知，公式(22)的最優(yōu)解位于矩陣的特性向量(xb,xe)的方向上，并且功率滿足歸一化約束||w||2＝1，因此，可得最優(yōu)波束賦形向量為：

34、

35、其中i為n*n的單位矩陣。

36、在一些實(shí)施方式中，步驟三中對irs相位θ進(jìn)行優(yōu)化處理時(shí)，假設(shè)波束賦形向量w一定，令則公式(7)可轉(zhuǎn)化為：

37、

38、由于為常數(shù)，因此公式(8)可簡化為：

39、

40、通過數(shù)學(xué)規(guī)劃和黎曼流優(yōu)化進(jìn)行求解，得到目標(biāo)函數(shù)的歐幾里得梯度，根據(jù)梯度下降法，得到irs相位θ的最優(yōu)解。

41、在一些實(shí)施方式中，由于上式(9)滿足分式數(shù)學(xué)規(guī)劃的條件，因此可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

42、其中，s.t.|θi|＝1,2,...,n，

43、

44、令

45、其中，x＝(|y1|2+|y2|2)γγh，r[.]為取實(shí)部運(yùn)算，|θi|＝1,2,...,n，y’1、y'2表示y1、y2的最優(yōu)解；

46、由公式(11)可知，h為半正定矩陣，因此f2(φ)是關(guān)于φ的二次凹函數(shù)。

47、在一些實(shí)施方式中，采用黎曼流優(yōu)化對f2(φ)進(jìn)行求解，目標(biāo)函數(shù)的歐幾里得梯度為：

48、δf2(φ)＝2xφ????(13)，

49、點(diǎn)θk處的切空間為：

50、

51、目標(biāo)函數(shù)的黎曼梯度為歐幾里得梯度空間上的投影，黎曼梯度gradf2(θk)表示為

52、i為n×n的單位矩陣，根據(jù)梯度下降法，切空間上的搜索方向?yàn)椋?/p>

53、η＝-gradf2(θk)????(16)，

54、且空間上更新為：

55、θk+1＝θk-ρgradf2(θk)????(17)，

56、ρ為步長，此時(shí)得到的點(diǎn)θk+1不在原來的流形ψ上，因此需要將其映射到原來的流形上，即

57、θk+1＝θk+1/||θk+1||????(18)，

58、由以三式可得最優(yōu)解為：

59、θ’k+1＝θk+ρη????(19)。

60、在一些實(shí)施方式中，irs由m個(gè)反射元素組成的二維irs，該irs放置于兩通信無人機(jī)a和無人機(jī)b之間，作為無源中繼使用；

61、和/或，該irs由小型控制器通過獨(dú)立的控制鏈路控制。

62、在一些實(shí)施方式中，無人機(jī)a和無人機(jī)b以及竊聽無人機(jī)e的信道均為瑞利型衰落信道。

63、本發(fā)明所取得的有益效果在于：

64、(1)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過部署在中繼無人機(jī)上的智能反射面，將信號盡可能多的反射給合法無人機(jī)，同時(shí)降低非法無人機(jī)接收信號，提高系統(tǒng)的安全速率。

65、(2)由于智能反射面作為一種硬件還沒辦法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的相位變化，只能做到提供離散的相位偏移，而相位的調(diào)整又會直接影響波束賦形的精度。而本發(fā)明采取將智能反射面波束賦形和相位調(diào)整相結(jié)合的方案，通過得到波束賦形及相位調(diào)整的最優(yōu)解，通過提高相位調(diào)整技術(shù)，使相位調(diào)整更接近實(shí)際無人機(jī)系統(tǒng)并提高波束賦形精度，從而提高系統(tǒng)物理層安全性能。

66、(3)本發(fā)明中采用聯(lián)合優(yōu)化的irs中繼方法得到的系統(tǒng)安全速率高于采用傳統(tǒng)af通信及不使用中繼的情況；同時(shí)采用irs中繼能夠有效降低系統(tǒng)功耗，節(jié)省系統(tǒng)的發(fā)送功能。