一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法

技术特征：
1.一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，所述安全通信方法包括如下步骤：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m
e
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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，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θ
i
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；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m
e
×
n维矩阵，其中β2和β3代表信道的大尺度衰落，r
i,b
，和r
i,e
是信道相关矩阵，g
b
和g
e
代表信道的小尺度衰落，其元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；基站到合法用户和窃听者的等效信道分别表示为基站到合法用户和窃听者的等效信道分别表示为其中，伪噪声预编码矩阵v满足h
b
v＝0，有效信号预编码矩阵满足w＝h
b
/||h
b
||。3.根据权利要求2所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，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：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。4.根据权利要求3所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，在所述步骤s2中，所述的初始优化问题，其优化目标为：最大化r
sec
；其约束条件为：
ξ∈(0,1]；|φ
n
|＝1,n＝1,...,n在公式中，φ
n
＝αexp(jθ
n
)表示矩阵φ中第n个对角线上的元素。5.根据权利要求4所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，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：其中，其中，其中，6.根据权利要求5所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，在步骤s3中，所述初始优化问题关于φ
n
是非凸的，采用梯度投影法迭代求解，其具体包括：步骤s301、定义向量步骤s302、在第k步迭代中，定义上升梯度并根据线搜索得到步长μ
k
；步骤s303、求解投影问题min||v
k-(v
k-1
μ
k-1
q
k-1
)||满足约束条件|φ
n
|＝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(v
k
μ
k
q
k
))，从而得到反射相移波束为φ
k 1
＝αdiag(v
k 1
)；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。7.根据权利要求6所述的一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法，其特征在于，在所述步骤s302中，上升梯度[q
k
]
n
的表达式为：公式中，其中，和的表达式分别为：
其中，s
e
＝ξm(m-1)m
e
tr(r
b
r
e
)；a
e
＝(1-ξ)(m-1-m
e
)tr(r
b
)tr(r
e
)；)；

技术总结
本发明公开了一种基于伪噪声的智能反射面系统的安全通信方法,包括：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；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；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。本发明中伪噪声功率分配因子和反射相移波束的优化只依赖于合法用户的统计信道信息，适用于无法获取窃听者信道状态信息的场景，提高了系统的安全性能。了系统的安全性能。了系统的安全性能。


技术研发人员：许威 杨丹
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/6/3