一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法

1.本发明涉及无线通信安全领域，特别是涉及一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法。


背景技术：

2.智能反射表面(irs)配备大量无源反射原件，对入射信号实时处理，从而改变一对或多对发射器和接收器之间的无线信道，使其更有利于通信。由于irs不需要连接射频链路，可以密集地部署在无线网络中，因此是未来可持续容量增长的可扩展解决方案之一。特别地，irs辅助的物理层安全通信中，被irs反射的信号可以通过调整可编程表面设计为相长干涉的，以提高合法用户的接收信号功率；同时相消干涉的，以降低窃听者的接收信号功率。
3.很多之前的工作考虑瞬时信道状态信息，采用交替优化发射端信号预编码、伪噪声(an)矩阵和irs反射波束的方法。然而，由于irs配备大量的无源反射元件，信道状态信息难以获取且信道估计开销巨大。此外，有部分工作考虑统计信道状态信息，联合优化发射端预编码和irs反射相移波束，大大降低了计算复杂度。然而，在实际系统中，基站难以获取被动窃听者的信道状态信息，此时安全通信将难以保证。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，用以解决上述方案中合法用户的瞬时信道状态信息难以获取，且窃听者的信道状态信息未知的场景中，如何保证安全通信的问题。本发明考虑仅已知合法用户的统计信道状态信息时，在irs辅助的安全通信系统中引入伪噪声，通过推导遍历保密速率的闭合形式，并依此联合优化irs反射波束成形与发射端伪噪声功率分配因子，进而提高系统的安全性。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，所述安全通信方法包括如下步骤：
7.步骤s1、构建基于伪噪声的智能反射面系统，其包括：一个配置m根天线的基站，一个配置n个反射单元的阵面，一个单天线的合法用户，以及一个配置me根天线的窃听者；其中，所述窃听者对基站传输给合法用户的信号进行窃听且不被发现，所述基站的发射功率设为p，定义ξ∈(0,1]为信号、伪噪声功率分配因子，则基站发射的有用信号功率表示为ξp，伪噪声功率表示为(1-ξ)p，其中，该有用信号和伪噪声分别为1维和m-1维向量，其元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；
8.步骤s2、所述基站首先根据其已知的合法用户的信道，将该合法用户的信道矩阵的零空间作为伪噪声的预编码矩阵，然后将该信道矩阵进行归一化作为有效信号的预编码矩阵，最后根据得到的伪噪声的预编码矩阵以及有效信号的预编码矩阵，计算下行遍历安全速率的闭合表达式，构建初始优化问题；
9.步骤s3、针对步骤s2中构建的初始优化问题，进行迭代求解，并且在每一次迭代中，基站根据遍历安全速率设计最优的伪噪声分配因子，智能反射面根据遍历安全速率来设计反射相移波束，两者交替进行，直至系统的安全速率收敛后，分别得到最优的伪噪声分配因子和反射相移波束。
10.进一步的，在所述步骤s2中，基站与智能反射面之间的信道表示为h1，是m
×
n维矩阵，智能反射面的相移矩阵为其中θi表示第i个反射元件的相移,i＝1,2,...,n，α表示幅度反射系数；
11.智能反射面与合法用户之间的信道表示为智能反射面与窃听者之间的信道表示为是me×
n维矩阵，其中β2和β3代表信道的大尺度衰落，ri,b，和r
i,e
是信道相关矩阵，gb和ge代表信道小尺度衰落，其元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；
12.基站到合法用户和窃听者的等效信道分别表示为和其中，伪噪声预编码矩阵v满足hbv＝0，有效信号预编码矩阵满足w＝hb/||hb||。
13.进一步的，在所述步骤s2中，所述下行遍历安全速率的闭合表达式，其表示为：
[0014][0015]
在该公式中，tr(
·
)表示矩阵的迹，是基站到合法用户的信道噪声方差。
[0016]
进一步的，在所述步骤s2中，所述的初始优化问题，其优化目标为：
[0017]
最大化r
sec
；
[0018]
其约束条件为：
[0019]
ξ∈(0，1]；|φn|＝1，n＝1，...，n
[0020]
在公式中，φn＝αexp(jθn)表示矩阵φ中第n个对角线上的元素。
[0021]
进一步的，在所述步骤s3中，根据初始优化问题关于ξ是凸问题的性质，求解得到第k步的最优功率分配因子为：
[0022][0023]
其中，
[0024][0025][0026]
[0027]
进一步的，在步骤s3中，所述初始优化问题关于φn是非凸的，采用梯度投影法迭代求解，其具体包括：
[0028]
步骤s301、定义向量
[0029]
步骤s302、在第k步迭代中，定义上升梯度并根据线搜索得到步长μk；
[0030]
步骤s303、求解投影问题min||v
k-(v
k-1
μ
k-1qk-1
)||满足约束条件|φn|＝1，n＝1，...，n，则根据第k步的结果可得第k 1步的值为v
k 1
＝exp(jarg(vk μkqk))，从而得到反射相移波束为φ
k 1
＝αdiag(v
k 1
)；
[0031]
步骤s304、将φ
k 1
带入安全速率的闭合表达式，得到第k 1步安全速率直到安全速率收敛为止结束循环。
[0032]
进一步的，在所述步骤s302中，上升梯度[qk]n的表达式为：
[0033][0034]
公式中，其中，和的表达式分别为：
[0035][0036][0037]
其中，se＝ξm(m-1)metr(rbre)；
[0038]ae
＝(1-ξ)(m-1-me)tr(rb)tr(re)；
[0039][0040][0041]
本发明的有益效果是：
[0042]
1、本发明方法考虑窃听端信道状态信息未知的实际通信场景，通过简单设计伪噪声矩阵和发射预编码，提高了系统安全性，并导出了系统遍历安全速率的下界表达式；
[0043]
2、本发明方法无需瞬时信道状态信息，对功率分配因子和irs反射波束进行交替迭代优化，并得到了最优伪噪声功率分配因子的闭式解，有效降低了计算复杂度。
附图说明
[0044]
图1为实施例1中提供的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法的系
统模型图；
[0045]
图2为实施例1中提供的安全通信方法其他方案的性能对比图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。
[0047]
实施例1
[0048]
参见图1-图2，本实施例提供一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，该安全通信方法包括：
[0049]
基站获得合法用户的统计信道状态信息，并根据该信道信息设计发射预编码矩阵和伪噪声矩阵；
[0050]
基站由相应的预编码矩阵和伪噪声矩阵计算系统遍历安全速率的下界，并通过硬件链路传送给智能反射面；
[0051]
最后基站和智能反射面交替优化发射端伪噪声功率分配因子和反射相移波束，直至安全速率收敛。
[0052]
具体的说，在本实施例中，该安全通信方法基于一个智能反射面系统，该系统结构如图1所示，其中，基站有m根天线，窃听者有me根天线，单天线合法用户被一个配备n个反射阵元的智能反射面服务，窃听者能对基站传输给合法用户的信号进行窃听且不被发现。首先基站根据合法用户的统计信道状态信息设计发射预编码和伪噪声矩阵，并计算下行遍历安全速率。基站和智能反射面分别根据该速率表达式优化伪噪声功率分配因子和反射相移波束，两者交替进行，最大化系统安全传输速率。
[0053]
更具体的说，基于上述的智能反射面系统，本实施例提供的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法包括如下步骤：
[0054]
(1)系统的遍历安全速率下界按如下公式计算：
[0055][0056]
其中tr(
·
)表示矩阵的迹，是基站到合法用户的信道噪声方差。
[0057]
(2)所述初始优化问题的优化目标为：
[0058]
最大化r
sec
[0059]
所述初始优化问题的约束条件为：
[0060]
ξ∈(0，1]；|φn|＝1，n＝1，...，n
[0061]
在公式中，φn＝αexp(jθn)表示矩阵φ中第n个对角线上的元素。
[0062]
(3)根据优化目标关于ξ是凸问题的性质，求解可得到第k步的最优功率分配因子为：
[0063]
[0064]
其中a、b和c的表达式分别为
[0065][0066][0067][0068]
(4)所述优化问题关于φn是非凸的，采用梯度投影法迭代求解：
[0069]
定义向量
[0070]
在第k步迭代中，定义上升梯度并根据线搜索得到步长μk；
[0071]
求解投影问题min||v
k-(v
k-1
μ
k-1qk-1
)||满足约束条件|φn|＝1，n＝1，...，n，则根据第k步的结果可得第k 1步的值为v
k 1
＝exp(jarg(vk μkqk))，进而得到反射相移波束为φ
k 1
＝αdiag(v
k 1
)；
[0072]
将φ
k 1
带入步骤2的表达式，可得到第k 1步安全速率直到安全速率收敛为止结束循环。
[0073]
上述流程中上升梯度[qk]n的表达式为：
[0074][0075]
其中其中和的表达式分别为
[0076][0077][0078]
se＝ξm(m-1)metr(rbre)
[0079]ae
＝(1-ξ)(m-1-me)tr(rb)tr(re)
[0080][0081][0082]
(5)直至系统的安全速率收敛后，分别得到最优的伪噪声分配因子和反射相移波束。
[0083]
图2是本发明与其他三种方案的遍历安全速率随着反射元件数目的性能变化图。基准方案是随机相移设置与固定选取的功率分配因子。图2中基站端配备16根天线，窃听端配备8根天线。所提出的方案性能优于其他三种方案，并且随着反射元件数目的增加而进一步提升。此外，本方案只需要合法用户的统计信道状态信息，降低了信道估计开销与算法复杂度。
[0084]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。