本發(fā)明屬于無人機(jī)通信，涉及一種無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種基于多維優(yōu)化的無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著第六代移動通信的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)(internet?of?things,iot)在支持智慧城市、智能交通和智慧醫(yī)療等應(yīng)用方面中展現(xiàn)出了巨大的潛力。在這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，環(huán)境中的數(shù)據(jù)需要從眾多地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)(sensor?nodes,sns)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，以便進(jìn)一步的處理和分析。然而，由于sns分布廣泛且傳輸功率有限，長距離的數(shù)據(jù)采集方式并不總是可行的。因此，無人機(jī)(unmanned?aerial?vehicle,uav)憑借其高靈活性和建立視距(line-of-sight,los)傳輸鏈路的能力，成為處理數(shù)據(jù)采集任務(wù)的有效解決方案。在uav輔助數(shù)據(jù)采集的場景中，uav可以通過飛近sns以縮短數(shù)據(jù)采集的距離，使得sns能夠以較低的功率傳輸數(shù)據(jù)，從而延長其電池壽命。

2、一方面，盡管uav提供了諸多優(yōu)勢，但是確保在其輔助下的iot網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行安全且有效的數(shù)據(jù)采集仍是具有挑戰(zhàn)性的。并且在惡意竊聽的威脅下，無線信道固有的開放性使得私人數(shù)據(jù)非常容易泄露。因此，協(xié)作干擾(cooperative?jamming,cj)作為一種極具潛力的物理層安全(physical-layer?security,pls)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。cj的基本理念是通過利用友好的干擾者發(fā)送人工噪聲，以達(dá)到干擾竊聽者(eavesdropper,eve)的目的，從而大大增加合法信道和竊聽信道的差異。并且相比于其他pls技術(shù)，cj的輕量級特性使得其成為更合適的選擇。

3、另一方面，在uav輔助下的iot網(wǎng)絡(luò)中能源也是一個(gè)不可忽視的問題。首先，sns有限的電池容量會直接影響數(shù)據(jù)傳輸過程。其次，uav有限的能量也限制了其在數(shù)據(jù)采集過程中的飛行速度和路徑。最后，考慮到發(fā)送人工噪聲的友好干擾者一般是由容量受限的電池進(jìn)行供電，有限的電池容量大大影響了協(xié)作干擾的作用。因此，同時(shí)考慮三者的能量消耗可以確保在實(shí)際情況下更加安全有效的數(shù)據(jù)采集。

4、目前已有研究在uav輔助下的iot網(wǎng)絡(luò)中考慮有限的能耗和安全的數(shù)據(jù)采集問題，如文獻(xiàn)[y.li,et?al.,data?collection?maximization?in?iot-sensor?networks?via?anenergy-constrained?uav(ieee?trans.mobile?comput),2023]研究了uav能量消耗約束下的數(shù)據(jù)采集量最大化問題，但未考慮安全性相關(guān)的問題；[x.xiong,c.sun,w.ni,andx.wang,three-dimensional?trajectory?design?for?unmanned?aerial?vehicle-basedsecure?and?energy-efficient?data?collection(ieee?trans.veh.technol),2023]在采用pls技術(shù)和考慮uav的能量消耗下，研究了針對帶寬分配和uav軌跡優(yōu)化的方法，以最大化系統(tǒng)保密速率；[r.zhang,x.pang,w.lu,n.zhao,y.chen,and?d.niyato,dual-uav?enabledsecure?data?collection?with?propulsion?limitation(ieee?trans.wirelesscommun),2021]考慮到竊聽者位置的未知性，提出了雙uav輔助的安全數(shù)據(jù)采集方案，但由于采用了專用的干擾者，從而增加了基礎(chǔ)設(shè)施部署成本。

5、現(xiàn)有技術(shù)主要僅僅關(guān)注uav或傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗問題，沒有考慮到安全數(shù)據(jù)采集中uav、sns和干擾者的三重能量約束的重要性，并且通常采用專用干擾者產(chǎn)生人工噪聲，從而大大增加部署的成本。同時(shí)，很多研究假設(shè)完全清楚竊聽者的位置信息，這在實(shí)際應(yīng)用中顯然不現(xiàn)實(shí)。因此，在考慮三重能量約束的情況下，采用空閑的iot輔助設(shè)備作為干擾者發(fā)射干擾信號，通過協(xié)調(diào)uav軌跡設(shè)計(jì)、傳感器調(diào)度和干擾者選擇，在低成本的情況下保證安全的數(shù)據(jù)采集，更加符合實(shí)際情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于多維優(yōu)化的無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集方法和系統(tǒng)。本發(fā)明通過建立系統(tǒng)保密速率最大化的多維優(yōu)化框架，對uav軌跡、傳感器調(diào)度和干擾者選擇進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在三重能量受限條件下的高效安全數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

2、一種基于多維優(yōu)化的無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集方法，包括以下步驟：

3、s1.構(gòu)建無人機(jī)輔助的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一架無人機(jī)、若干傳感器、若干輔助設(shè)備和一個(gè)潛在竊聽者，并將任務(wù)采集周期離散化為多個(gè)時(shí)隙；

4、s2.引入傳感器調(diào)度變量對地面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行休眠喚醒管理，引入干擾者選擇變量基于信道條件選擇輔助設(shè)備作為友好干擾者；

5、s3.建立地空信道和地地信道的路徑損耗模型獲取信道增益，定義傳輸速率和竊聽速率，考慮竊聽者位置的不確定性構(gòu)建無人機(jī)最壞情況保密速率模型，并設(shè)置約束條件；

6、s4.將數(shù)據(jù)采集問題形式化為保密速率最大化問題，并分解為無人機(jī)軌跡優(yōu)化、傳感器調(diào)度優(yōu)化和干擾者選擇優(yōu)化三個(gè)子問題，對所述子問題求解，輸出優(yōu)化的無人機(jī)軌跡、傳感器調(diào)度和干擾者選擇策略。

7、進(jìn)一步地，所述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用三維笛卡爾坐標(biāo)系描述所有節(jié)點(diǎn)的位置信息，所述節(jié)點(diǎn)包括無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、輔助設(shè)備節(jié)點(diǎn)和潛在竊聽者節(jié)點(diǎn)；所述無人機(jī)設(shè)置為以固定高度飛行采集數(shù)據(jù)，且無人機(jī)在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)位置保持不變。

8、進(jìn)一步地，采用有界竊聽者位置誤差模型描述所述潛在竊聽者位置的不確定性。

9、進(jìn)一步地，所述傳感器調(diào)度變量表示傳感器在每個(gè)時(shí)隙的喚醒或休眠狀態(tài)，且在每個(gè)時(shí)隙至多有一個(gè)傳感器處于喚醒狀態(tài)；所述干擾者選擇變量表示輔助設(shè)備在每個(gè)時(shí)隙是否發(fā)送干擾信號以混淆竊聽者。

10、進(jìn)一步地，所述地空信道的路徑損耗模型采用自由空間路徑損耗模型描述無人機(jī)與傳感器之間的信道增益；所述地地信道的路徑損耗模型采用大尺度路徑損耗和小尺度瑞利衰落相結(jié)合的方式描述傳感器至竊聽者以及輔助設(shè)備至竊聽者的信道增益。

11、進(jìn)一步地，所述無人機(jī)和輔助設(shè)備存儲相同的干擾信號發(fā)生器和種子表格，所述無人機(jī)能夠通過兩步相移調(diào)制方法消除干擾信號。

12、進(jìn)一步地，所述考慮竊聽者位置的不確定性構(gòu)建無人機(jī)最壞情況保密速率模型具體為：

13、考慮到竊聽者位置信息的不準(zhǔn)確性，采用三角不等式準(zhǔn)則獲取傳感器與竊聽者之間距離的下限和輔助設(shè)備與竊聽者之間距離的上限；

14、根據(jù)所述傳感器與竊聽者之間距離的下限和輔助設(shè)備與竊聽者之間距離的上限獲取基于竊聽者位置估計(jì)誤差計(jì)算的最壞情況下的竊聽速率，進(jìn)而得到傳感器到無人機(jī)的最壞情況保密速率模型。

15、進(jìn)一步地，所述約束條件包括數(shù)據(jù)采集需求約束、傳感器能量約束、輔助設(shè)備能量約束、無人機(jī)能量約束、無人機(jī)最大速度約束、無人機(jī)初始和最終位置約束、傳感器互斥喚醒約束、傳感器喚醒模式二進(jìn)制變量約束、干擾選擇二進(jìn)制變量約束。

16、進(jìn)一步地，通過塊坐標(biāo)下降法將所述保密速率最大化問題分解為無人機(jī)軌跡優(yōu)化、傳感器調(diào)度優(yōu)化和干擾者選擇優(yōu)化三個(gè)子問題；

17、針對無人機(jī)軌跡優(yōu)化子問題，固定傳感器調(diào)度變量和干擾者選擇變量，通過引入輔助變量，應(yīng)用連續(xù)凸逼近技術(shù)得到凸優(yōu)化問題，再采用cvx求解工具優(yōu)化無人機(jī)軌跡變量；

18、針對傳感器調(diào)度優(yōu)化子問題，固定無人機(jī)軌跡變量和干擾者選擇變量，將傳感器調(diào)度變量松弛為連續(xù)變量，通過細(xì)分時(shí)隙為若干個(gè)子時(shí)隙的方式，將連續(xù)解舍入后得到滿足約束條件的二進(jìn)制解；

19、針對干擾者選擇優(yōu)化子問題，固定無人機(jī)軌跡變量和傳感器調(diào)度變量，對目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用連續(xù)凸逼近技術(shù)得到凸優(yōu)化問題，將得到的連續(xù)解通過基于貪婪策略的舍入算法重構(gòu)為滿足約束條件的二進(jìn)制解。

20、一種基于多維優(yōu)化的無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集系統(tǒng)，包括：

21、一個(gè)或多個(gè)處理器；

22、存儲器，用于存儲一個(gè)或多個(gè)程序；

23、當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)上述基于多維優(yōu)化的無人機(jī)數(shù)據(jù)安全采集方法。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

25、1、本發(fā)明創(chuàng)新性地利用空閑物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作為友好干擾者，通過cj方法有效增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，相比部署專用干擾者的方式更加靈活和經(jīng)濟(jì)；

26、2、本發(fā)明首次全面考慮uav、傳感器節(jié)點(diǎn)和干擾者的三重能量約束，通過聯(lián)合優(yōu)化uav軌跡設(shè)計(jì)、傳感器調(diào)度和干擾者選擇，在保證數(shù)據(jù)采集要求的同時(shí)最大化系統(tǒng)的保密率；

27、3、本發(fā)明針對實(shí)際場景中難以獲取eve準(zhǔn)確位置的情況，提出了一種新的魯棒優(yōu)化方法，有效解決了由于eve位置的不確定性而帶來的問題；

28、4、本發(fā)明通過創(chuàng)新性地結(jié)合bcd和sca方法，成功將復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為可求解的凸優(yōu)化問題，提供了一種高效的迭代算法，解決了現(xiàn)有uav輔助數(shù)據(jù)采集中面臨的安全和效率問題。