基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，主要解决现有技术传输安全性与可靠性无法兼顾的问题。方案包括：用户端在上行传输中，发送经过乘性随机扰动后的幅度相位调制信号；然后，根据多径反射信号同相叠加实现原理，面向接收天线索引编码，分别设计两种不同实现复杂度的RIS反射信号相位旋转策略以对齐扰动相位，使得用户端随机加扰对基站端指定天线接收信号无影响，但是在窃听端形成随符号速率更新的固有扰动；最后，基站端和窃听端分别对各自得到的接收信号进行检测和解码。本发明专利技术能有效保障上行预编码空间调制安全传输，并实现传输可靠性与硬件代价之间的可控调整。价之间的可控调整。价之间的可控调整。

【技术实现步骤摘要】
基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法


[0001]本专利技术属于通信
，进一步涉及无线通信中的物理层信息安全技术，具体为一种基于可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，可用于提高可重构智能表面使能的上行预编码空间调制的传输安全性。

技术介绍

[0002]可重构智能表面RIS由大量无源反射元件组成，受与其连接的控制器调节，其中每个反射单元可对入射电磁波产生独立的幅度和相位调节作用。可重构智能表面具有成本低、耗能小、反射波束可控管理等诸多技术优势，其合理布设可为未来复杂电磁环境中的可靠通信提供高效解决方案。
[0003]空间调制(Spatial Modulation,SM)技术利用被激活天线索引调制传输附加信息比特，可辅助多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output,MIMO)系统实现空间复用和空间分集增益获取方面的折中，同时可克服传统MIMO技术中存在的天线间同步、信道间干扰及多射频链路消耗等固有缺陷。预编码空间调制(Precoding aided Spatial Modulation,PSM)是通过设计发射机预编码方案，使得发射信号能量汇聚到某根接收天线上完成天线激活，利用被激活接收天线索引编码传输附加信息。PSM辅助MIMO传输可有效提高单数据流传输效率，明显降低多天线接收机的检测复杂度。
[0004]可重构智能表面辅助的空间调制RIS
‑
SM和预编码空间调制RIS
‑
PSM通过设计RIS反射阵元的入射波形调整系数，可有效利用大规模反射阵元提供的多径增益，提高空间调制符号的传输可靠性、改善传输覆盖，避免收发端直达路径阻塞导致的传输中断。如2021年1月在IEEE Transactions On Wireless Communications上发表的文献《Reconfigurable Intelligent Surfaces With Reflection Pattern Modulation:Beamforming Design and Performance Analysis》中所述，现有研究通过控制RIS反射阵元开关状态，形成不同的反射图案，并利用激活图案的索引调制传输信息，可进一步提升RIS空间调制系统的数据速率。然而，选择一部分反射阵元处于关闭状态，使得RIS在辅助信息传输时，无法提供全部多径增益，造成接收信号能量损失，影响接收误码性能。此外，无线信道的开放性，使得保密信息遭受非授权用户恶意窃取的风险。RIS空间调制系统，实际执行单天线信号传输，保密信息失窃风险明显提高。在非授权用户接近发射端或者接收端时，保密信息失窃风险表现得更为显著。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，用于解决现有RIS空间调制技术在保障物理层信息安全上存在的缺陷，以及RIS无源反射实现复杂度较高等方面存在的技术约束；该方法采用可重构智能表面使能单天线用户上行预编码空间调制，可有效提高上行预编码空间调制的传输安全
性，高效实现RIS空间调制安全传输。
[0006]实现本专利技术的基本思路是：基于多径反射信号同相叠加设计思想，单天线用户端在上行传输中，发送经过乘性随机扰动后的幅度相位调制信号，面向接收天线索引编码设计RIS相位旋转反射系数，以对齐扰动相位，使得用户端随机加扰在基站处做到抵消、在窃听端形成按符号速率更新的固有扰动，从而完成空间调制基带比特与空域比特的保密传输。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：
[0008]1)设系统中用户端配置有单根发射天线、基站端D具有N
r
根接收天线、窃听端Eve配置有N
e
根接收天线、可重构智能表面RIS具有N个反射阵元，N为2的非负整数幂，用户端通过控制器对RIS进行控制；
[0009]2)用户端向基站端D发送导频信息，得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵和且两个信道矩阵中的元素均服从瑞利衰落；窃听端Eve窃取导频信息后，得到用户端到窃听端的窃听信道矩阵和RIS到窃听端的反射信道矩阵分别为和其中表示复数域；
[0010]3)用户端对保密信息进行处理得到混合信号并发送，步骤如下：
[0011](3.1)用户端将每个发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分；
[0012](3.2)随机选用相位扰动因子w：
[0013][0014]其中，θ1表示在(0,2π]区间内的随机数，j表示虚部；
[0015](3.3)在基带比特中加入相位扰动因子w，即注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的混合信号wx
k
，其中x
k
为映射的相移键控PSK的第k个保密信号；
[0016](3.4)用户端通过发射天线向RIS发送混合信号wx
k
；
[0017]4)设合法通信双方均已知理想衰落信道状态信息，用户端根据信道矩阵h和G计算基站端第i根接收天线所对应的级联信道幅度累加和Z
i
：
[0018][0019]其中，i＝1,2,...,N
r
；l＝1,2,...,N表示RIS中第l个反射阵元，h
l
表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道矩阵h中的元素，g
il
表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道矩阵G中的元素；
[0020]5)将计算得到的基站端每根接收天线所对应的级联信道幅度累加和按照从大到小的顺序排序，并根据排序结果对接收天线索引进行重新编码，得到索引编码；
[0021]6)构建按RIS反射阵元相位对齐策略：
[0022](6.1)根据下式得到RIS第l个反射阵元引入的相移：
[0023]Φ
l
＝
‑
θ1+∠h
l
+∠g
il
，
[0024]其中，∠h
l
表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道对应信道系数的相位参量，∠g
il
表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道对应信道系数的相位参量；
[0025](6.2)令RIS中相邻阵元之间的间距不小于信号波长的一半，根据下式得到RIS反射系数对角阵Θ
i
：
[0026][0027]其中，Φ
l
∈(0,2π]为由RIS第l个反射阵元引入的相移，diag(
·
)表示以矢量
·
中的元素为对角元的对角阵；
[0028]7)构建按RIS反射子集相位对齐策略：
[0029](7.1)将RIS的所有反射阵元平均分为L个子集，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可重构智能表面RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设系统中用户端配置有单根发射天线、基站端D具有N
r
根接收天线、窃听端Eve配置有N
e
根接收天线、可重构智能表面RIS具有N个反射阵元，N为2的非负整数幂，用户端通过控制器对RIS进行控制；2)用户端向基站端D发送导频信息，得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵和且两个信道矩阵中的元素均服从瑞利衰落；窃听端Eve窃取导频信息后，得到用户端到窃听端的窃听信道矩阵和RIS到窃听端的反射信道矩阵分别为和其中表示复数域；3)用户端对保密信息进行处理得到混合信号并发送，步骤如下：(3.1)用户端将每个发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分；(3.2)随机选用相位扰动因子w：其中，θ1表示在(0,2π]区间内的随机数，j表示虚部；(3.3)在基带比特中加入相位扰动因子w，即注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的混合信号wx
k
，其中x
k
为映射的相移键控PSK的第k个保密信号；(3.4)用户端通过发射天线向RIS发送混合信号wx
k
；4)设合法通信双方均已知理想衰落信道状态信息，用户端根据信道矩阵h和G计算基站端第i根接收天线所对应的级联信道幅度累加和Z
i
：其中，i＝1,2,...,N
r
；l＝1,2,...,N表示RIS中第l个反射阵元，h
l
表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道矩阵h中的元素，g
il
表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道矩阵G中的元素；5)将计算得到的基站端每根接收天线所对应的级联信道幅度累加和按照从大到小的顺序排序，并根据排序结果对接收天线索引进行重新编码，得到索引编码；6)构建按RIS反射阵元相位对齐策略：(6.1)根据下式得到RIS第l个反射阵元引入的相移：Φ
l
＝
‑
θ1+∠h
l
+∠g
il
，其中，∠h
l
表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道对应信道系数的相位参量，∠g
il
表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道对应信道系数的相位参量；(6.2)令RIS中相邻阵元之间的间距不小于信号波长的一半，根据下式得到RIS反射系数对角阵Θ
i
：其中，Φ
l
∈(0,2π]为由RIS第l个反射阵元引入的相移，diag(
·
)表示以矢量
·
中的元素为对角元的对角阵；7)构建按RIS反射子集相位对齐策略：
(7.1)将RIS的所有反射阵元平均分为L个子集，s＝1,2,...,L表示第s个子集，每个子集包含A＝N/L个阵元，L为2的非负整数次幂；(7.2)根据下式计算RIS各子集中反射阵元使用的反射系数相位Fω
s
：其中，为RIS第s个子集到基站端第i根接收天线的信道中第t个阵元分量，为用户端到RIS第s个子集的信道中第t个阵元分量，t＝1,2,...,A；(7.3)利用反射系数相位，按照下式得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超文，刘超，马季，万鹏武，刘伯阳，王瑾，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：