一种最大化安全传输速率的方法技术

本发明专利技术公开了一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线智能反射表面STAR

【技术实现步骤摘要】
一种最大化安全传输速率的方法


[0001]本专利技术属于移动通信领域，尤其涉及一种最大化安全传输速率的方法。

技术介绍

[0002]智能反射表面(RIS)是一种新兴的技术，通过许多反射元件巧妙地改变反射信号，RIS能够动态地改变无线信道以提高系统性能。由于其具有低功耗和部署成本低的优点，在过去几年中获得了人们极大的研究兴趣。特别是在工业物联网中，通过部署RIS可以有效地传输控制信息，降低时延。然而由于硬件实现方面，传统的RIS只能服务于位于同一侧的无线设备，这极大地限制了它们的部署灵活性和覆盖范围。同时传输和反射的智能反射表面(STAR
‑
RIS)的提出解决了这一问题，通过同时发射和反射信号，STAR
‑
RIS能提供一个全方位360度的覆盖，部署也更加灵活。
[0003]由于无线通信系统的广播特性和开放性，再加上防范措施不成熟，在传输过程中必然存在信息泄露的问题，并且系统极易受到非法用户的攻击。物理层安全(PLS)在提高传统系统无线通信安全性方面的研究已经获得了巨大的成功，其中RIS在PLS方面的研究也受到了较为广泛的关注。STAR
‑
RIS虽然相比传统RIS能提供360度的覆盖，但也导致了窃听的风险大大增加。同时，由于STAR
‑
RIS具有独特的功率分割模式，现有的针对RIS提高PLS的方案并不适用于STAR
‑
RIS辅助的无线通信系统。

技术实现思路

[0004]为了提高多天线系统配置智能反射表面STAR
‑
RIS的物理层安全性能，本专利技术公开了一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线系统配置智能反射表面STAR
‑
RIS的系统中。
[0005]本专利技术实施例提供了如下技术方案：
[0006]一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线系统配置智能反射表面STAR
‑
RIS的物理层安全传输系统，所述方法包括：
[0007]步骤A，估计获取基站到STAR
‑
RIS的信道F，以及STAR
‑
RIS到透射用户的信道H
t
和STAR
‑
RIS到反射用户的信道H
r
，考虑窃听者的完整CSI，建立信道模型；
[0008]步骤B，根据信道的信息，计算合法用户和窃听者解码接收反射信号、透射信号的信噪比；
[0009]步骤C，根据物理层安全容量定义式，从而获得系统物理层安全传输速率表达式；
[0010]步骤D，联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR
‑
RIS的波束成形，优化问题进行拟凸化；
[0011]步骤E，求解优化问题，最大化安全传输速率。
[0012]其中，步骤A具体包括：
[0013]A1，假设基站配有M根天线，STAR
‑
RIS配置N个反射单元，其余用户均为单天线用户；
[0014]A2，对STAR
‑
RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落其中表示LoS路径，表示NLoS路径，k为莱斯因子。对接收反射信号的合法用户、接收透射信号的合法用户以及窃听用户Eve到STAR
‑
RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为信道考虑为瑞利衰落模型，分别为和
[0015]A3，基站在发射信号时的波束成形为STAR
‑
RIS的模式采用功率分割，透射系数和反射系数建模为和其中，diag[
·
]表示对角矩阵，为第n个元素的振幅响应，满足为第n个元素的相移响应，假设基站的最大发射功率为P
max
，用户处的干扰为加性高斯白噪声(AWGN)。
[0016]其中，步骤B具体包括：
[0017]B1，合法用户在解码信号时将另一个合法用户的信号视为干扰，得到解码合法用户信号的信干噪比分别为SINR
r
和SINR
t
；
[0018]B2，考虑窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，求得窃听者解码合法用户的信噪比为SNR
r
和SNR
t
。
[0019]其中，步骤C具体包括：
[0020]C1，利用系统容量的定义式计算合法用户速率C
ρ
＝log2(1+SINR
ρ
)，ρ＝{r,t}，窃听用户的速率C
E,ρ
＝log2(1+SNR
ρ
)，ρ＝{r,t}；
[0021]C2，根据物理层安全容量的定义式，求得安全传输速率的下界为R
s,ρ
≥[C
ρ
‑
C
E,ρ
]+
,ρ∈{r,t}，[a]+
表示max(a,0)。
[0022]其中，步骤D具体包括：
[0023]D1，优化目标可以表述为当ρ＝t时，其中，Θ
t
为透射系数，Θ
r
为反射系数，w为发射波束成形向量，目标函数受到基站的波束成形和STAR
‑
RIS的波束成形的约束；
[0024]D2，利用连续凸近似(SCA)可以将非凸问题转化为一系列的凸问题，在给定的的情况下，将非凸问题进行凸近似转化，引入的情况下，将非凸问题进行凸近似转化，引入其中，ρ∈{t,r}，Θ
t
为透射系数，Θ
r
为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，H
t
为透射用户与STAR
‑
RIS间的信道，H
r
为反射用户与STAR
‑
RIS间的信道，σ2为AWGN的方差。
[0025]D3，忽略常数项，在给定点附近可以将目标函数转化为
[0026]其中，表示取复数的实部，ρ∈{t,r}，为固定的迭代点，Θ
t
为透射系数，Θ
r
为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，H
t
为透射用户与STAR
‑
RIS间的信道，H
r
为反射用户与STAR
‑
RIS间的信道，G为基站之间的到STAR
‑
RIS间的信道。
[0027]D4，当固定Θ
ρ
时，目标函数是一个凸函数，可以用最速牛顿下降梯度方法解决问题得到最优解w
*
；
[0028]D5，当固定w时，由与相移约束是非凸的，引入辅助向量x
ρ
＝[x
ρ,1
,...,x
ρ,N
]T
，将模约束松弛为n∈{1,2,...,N}，其中，为给定的第n个元素的的透射系数或反射系数，为第n个元素的最优透射系数或反射系数，在目标函数中加入惩罚项惩罚项的比例系数为η＞0。
[0029]其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种最大化安全传输速率的方法，其特征在于，应用于多天线智能反射表面STAR
‑
RIS系统中，包括如下步骤：步骤A，估计获取基站到STAR
‑
RIS的信道F，以及STAR
‑
RIS到透射用户的信道H
t
和STAR
‑
RIS到反射用户的信道H
r
，考虑窃听者的完整的信道状态信息CSI，建立信道模型；步骤B，根据信道的信息，计算合法用户和窃听者解码接收反射信号、透射信号的信噪比；步骤C，根据物理层安全容量定义式，从而获得系统物理层安全传输速率表达式；步骤D，联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR
‑
RIS的波束成形，优化问题进行拟凸化；步骤E，求解优化问题，最大化安全传输速率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A具体包括：A1，假设基站配有M根天线，STAR
‑
RIS配置N个反射单元，其余用户均为单天线用户；A2，对STAR
‑
RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落其中表示LoS路径，表示NLoS路径，k为莱斯因子，对接收反射信号的合法用户、接收透射信号的合法用户以及窃听用户Eve到STAR
‑
RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为和A3，基站在发射信号时的波束成形为STAR
‑
RIS的模式采用功率分割，透射系数和反射系数建模为和其中，diag[
·
]表示对角矩阵，为第n个元素的振幅响应，满足n个元素的振幅响应，满足为第n个元素的相移响应，假设基站的最大发射功率为P
max
，用户处的干扰为加性高斯白噪声(AWGN)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B具体包括：B1，合法用户在解码信号时将另一个合法用户的信号视为干扰，得到解码合法用户信号的信干噪比分别为SINR
r
和SINR
t
；B2，考虑窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，求得窃听者解码合法用户的信噪比为SNR
r
和SNR
t
。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C具体包括：C1，利用系统容量的定义式计算合法用户速率C
ρ
＝log2(1+SINR
ρ
)，ρ＝{r,t}，窃听用户的速率C
E,ρ
＝log2(1+SNR
ρ
)，ρ＝{r,t}；C2，根据物理层安全容量的定义式，求得安全传输速率的下界为R<...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉静学，张家尧，武永珍，
申请(专利权)人：中央民族大学，
类型：发明
国别省市：