本發(fā)明屬于無人機(jī)，具體設(shè)計(jì)一種針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電能已經(jīng)成為了人們生產(chǎn)生活中比不可少的二次能源，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了無盡的便利。因此，保障電能的穩(wěn)定可靠供應(yīng)，就成為了電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)之一。

2、現(xiàn)階段，無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，并承擔(dān)著電力系統(tǒng)巡檢、通信等重要任務(wù)。無人機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3、被動(dòng)竊聽是無人機(jī)的無線通信過程中最不易察覺的攻擊之一。為了增強(qiáng)廣播信道的抗竊聽能力，研究人員已經(jīng)提出了利用無人機(jī)的空間自由度和物理層技術(shù)的廣播信道抗竊聽技術(shù)。但是，由于無人機(jī)平臺(tái)缺乏固定穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施，其所帶來的隨機(jī)擾動(dòng)特性，以及氣流的自然隨機(jī)性和機(jī)體振動(dòng)等問題，使得現(xiàn)有的無人機(jī)廣播信道抗竊聽方案的實(shí)施效果較差，無人機(jī)通信過程的可靠性和安全性依舊無法保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種可靠性高且安全性好的針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)。

3、本發(fā)明提供的這種針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

4、s1.構(gòu)建包括無人機(jī)基站、地面用戶和竊聽者的無人機(jī)安全通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

5、s2.根據(jù)步驟s1搭建的平臺(tái)，對(duì)包括竊聽者在內(nèi)的無人機(jī)與地面用戶的通信過程進(jìn)行建模；

6、s3.根據(jù)步驟s2的建模結(jié)果，以無人機(jī)安全能耗效率為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建安全波束設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)；

7、s4.對(duì)步驟s3構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，基于兩層優(yōu)化算法進(jìn)行求解，完成針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束的設(shè)計(jì)。

8、步驟s1所述的構(gòu)建包括無人機(jī)基站、地面用戶和竊聽者的無人機(jī)安全通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體包括如下步驟：

9、基于bs通信方式，構(gòu)建包括無人機(jī)基站、地面合法用戶和竊聽者的無人機(jī)安全通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

10、無人機(jī)的飛行高度為h0，無人機(jī)與地面合法用戶通信，竊聽者對(duì)通信過程的合法信息進(jìn)行竊聽；

11、無人機(jī)基站和竊聽者均具有均勻線性陣列，無人機(jī)的天線數(shù)量為nu，竊聽者的天線數(shù)量為ne，地面合法用戶為單天線。

12、步驟s2所述的根據(jù)步驟s1搭建的平臺(tái)，對(duì)包括竊聽者在內(nèi)的無人機(jī)與地面用戶的通信過程進(jìn)行建模，具體包括如下步驟：

13、無人機(jī)的發(fā)送信號(hào)向量x表示為x＝ws+v，其中w為波束成形向量，s為保密信號(hào)，v為人工噪聲向量且滿足v～cn(0,v)，cn為復(fù)高斯分布，v為大于或等于0的人工噪聲協(xié)方差矩陣；無人機(jī)基站與地面合法用戶之間為合法通信信道；

14、采用萊斯信道模型對(duì)無人機(jī)空-地信道進(jìn)行建模，同時(shí)考慮los鏈路和非los鏈路；

15、無人機(jī)與地面合法用戶之間的信道向量為hb，無人機(jī)與竊聽者之間的信道向量為he，且

16、

17、式中al為los鏈路的路徑損耗因子；db為無人機(jī)到合法用戶的距離；αl為los鏈路的路徑損耗指數(shù)；kb為合法信道的萊斯因子；hb,l表示los組成，且bu為無人機(jī)天線陣列上的天線間距，λc為載波中心頻率的波長(zhǎng)，為無人機(jī)和地面合法用戶間的水平aod，θb為無人機(jī)和地面合法用戶間的垂直aod，nu為無人機(jī)天線數(shù)目；an為非los鏈路的路徑損耗因子；αn為非los鏈路的路徑損耗指數(shù)；hb,n為合法信道非los組成；de為無人機(jī)到竊聽者之間的距離；ke為竊聽信道的萊斯因子；he,l為竊聽信道非los組成，且為中間變量且be為竊聽者天線陣列上的天線間距，λc為載波中心頻率的波長(zhǎng)，φe為無人機(jī)和竊聽者間的水平aoa，θe為無人機(jī)和竊聽者間的垂直aoa，ne為竊聽者天線數(shù)目；he,n為竊聽信道非los組成。

18、步驟s3所述的根據(jù)步驟s2的建模結(jié)果，以無人機(jī)安全能耗效率為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建安全波束設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，具體包括如下步驟：

19、采用如下算式作為安全波束設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)：

20、

21、s.t.tr(qw)+tr(qv)≤ptx

22、rank(qw)＝1

23、式中rs為合法信道的數(shù)據(jù)傳輸速率，且rs＝log2(1+γs)，γs為在合法用戶側(cè)的信干燥比且w為無人機(jī)發(fā)射波束向量，v為人工噪聲向量；qw為w的協(xié)方差矩陣；qv為v的協(xié)方差矩陣；tr(qw)為無人機(jī)發(fā)射功率；ptx為無人機(jī)的最大發(fā)送功率。

24、步驟s4所述的對(duì)步驟s3構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，基于兩層優(yōu)化算法進(jìn)行求解，具體包括如下步驟：

25、首先，采用dinkelbach方法，處理步驟s3構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)的分式規(guī)劃問題；

26、然后，采用s-過程和半定規(guī)劃方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到如下形式的凸問題：

27、

28、s.t.tr(qw)+tr(qv)≤ptx

29、rn≥rth

30、qw≥0

31、rank(qw)＝1

32、式中μ*為最大能耗效率，rth為最小無人機(jī)傳輸速率；

33、當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，以上凸問題中的μ*得到最優(yōu)解；

34、因此，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為

35、

36、s.t.tr(qw)+tr(qv)≤ptx

37、rank(qw)＝1

38、式中μ(t)為能耗效率；ptx為無人機(jī)最大發(fā)射功率；

39、引入松弛變量其中

40、為第一松弛變量，且

41、為第二松弛變量，且

42、為第三松弛變量，且

43、為第四松弛變量，且式中hb為合法信道向量；為合法信道向量的轉(zhuǎn)置；σb為合法信道端噪聲功率；he為竊聽信道向量；為竊聽信道向量的轉(zhuǎn)置；qe為竊聽者解碼向量的協(xié)方差矩陣；σe為竊聽者端噪聲功率；

44、引入松弛變量后，模型表示為

45、

46、s.t.tr(qw)+tr(qv)≤ptx

47、

48、

49、rank(qw)＝1

50、式中γ為目標(biāo)函數(shù)變量；β1為第一引入轉(zhuǎn)換變量；β2為第一引入轉(zhuǎn)換變量；β3為第一引入轉(zhuǎn)換變量；β4為第一引入轉(zhuǎn)換變量；

51、最終，對(duì)得到的模型進(jìn)行求解。

52、本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)，包括平臺(tái)構(gòu)建模塊、通信建模模塊、目標(biāo)設(shè)計(jì)模塊和波束設(shè)計(jì)模塊；平臺(tái)構(gòu)建模塊、通信建模模塊、目標(biāo)設(shè)計(jì)模塊和波束設(shè)計(jì)模塊依次串接；平臺(tái)構(gòu)建模塊用于構(gòu)建包括無人機(jī)基站、地面用戶和竊聽者的無人機(jī)安全通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將數(shù)據(jù)信息上傳通信建模模塊；通信建模模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)搭建的平臺(tái)，對(duì)包括竊聽者在內(nèi)的無人機(jī)與地面用戶的通信過程進(jìn)行建模，并將數(shù)據(jù)信息上傳目標(biāo)設(shè)計(jì)模塊；目標(biāo)設(shè)計(jì)模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)建模結(jié)果，以無人機(jī)安全能耗效率為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建安全波束設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，并將數(shù)據(jù)信息上傳波束設(shè)計(jì)模塊；波束設(shè)計(jì)模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，基于兩層優(yōu)化算法進(jìn)行求解，完成針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束的設(shè)計(jì)。

53、本發(fā)明提供的這種針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建、信通過程的建模和求解，不僅實(shí)現(xiàn)了針對(duì)電力系統(tǒng)無人機(jī)的安全波束設(shè)計(jì)，而且本發(fā)明的可靠性更高，安全性更好。