一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法技术

本申请涉及一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法。所述方法包括：以传输速率最大化为目标函数，发射机的总功率门限、窃听者信息速率门限信息和智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变量，构建待求解的优化模型；将优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型交替求解，直到达到迭代停止条件，输出抗干扰和抗截获通信系统的最优波束形成矢量。在求解过程中，由于优化问题目标函数的非凸性，利用辅助变量替换、柯西

【技术实现步骤摘要】
一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法


[0001]本申请涉及通信
，特别是涉及一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法、装置、计算机设备和存储介质。

技术介绍

[0002]无线信道环境的开放性、节点的移动性以及网络拓扑结构的动态变化使得无线通信系统面临严峻的安全挑战。通过无线信道进行干扰攻击、信息窃取、接入欺骗等安全威胁日益突出。
[0003]为了实现抗干扰、抗截获信息传输，传统的技术手段主要包括：直接序列扩频、跳频、自适应功率控制、协同中继传输、人工噪声、多天线技术等。上述传统技术手段只对干扰策略固定的常规干扰取得较好的抗干扰效果。近年来，随着智能化干扰手段的出现，干扰行为变得更加智能化，干扰行为更难以预测，对现有无线通信抗干扰技术提出了新的更高要求。同时，协同中继传输、人工噪声、多天线技术等抗截获手段会消耗额外的功率。
[0004]以信息超材料赋能的数字可编程智能反射面利用集成在平面上的大量无缘反射元件通过软件编程智能地配置无限传播环境，在提高无线通信安全传输的能力而言具有巨大的潜力和应用前景。智能反射面能够实现无线信道环境实时可重构、无线信道动态可编程，减少和消除电磁环境的不确定性和不可操控性，为无线通信抗干扰和抗截获能力提升提供重要的手段支撑。但是，智能反射面辅助的信道估计面临比传统通信场景更为严峻的挑战。由于智能反射面通常采用全被动单元，仅配备了简单的板载信号处理模块，只能够反射电磁波而不具备复杂的信号处理能力，使得准确信道状态信息的获取存在困难，因此，需要研究针对非理想信道状态信息下的无线抗干扰和抗截获通信方法。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够针对干扰方和窃听方信道难以准确估计情况的非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法、装置、计算机设备和存储介质。
[0006]一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法，所述方法包括：
[0007]获取抗干扰和抗截获通信系统的发射机的总功率门限信息、非法窃听者信息速率门限信息和收敛门限信息；所述抗干扰和抗截获通信系统包含一个配置多根天线的发射机、一个配置单天线的合法接收机和一个配置多个反射单元的智能反射面，所述合法接收机周围存在一个配置多根天线的干扰机和一个配置单天线的非法窃听者；
[0008]以所述抗干扰和抗截获通信系统传输速率最大化为目标函数，所述发射机的总功率门限信息、所述非法窃听者信息速率门限信息和所述智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变
量，构建待求解的优化模型；
[0009]将所述优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型；所述第一优化子模型为发射机主动发射端优化模型；所述第二优化子模型为智能反射面反射端优化模型；
[0010]给定智能反射面反射波束形成矢量，通过符号
‑
定义式变换和引入松弛变量将所述非法窃听者信息速率门限信息对应的约束条件方程转换为矩阵不等式，通过柯西
‑
施瓦兹不等式将所述第一优化子模型转换为凸优化模型，通过凸优化工具箱和连续凸逼近算法求解所述第一优化子模型；
[0011]给定发射机主动发射波束形成权矢量，通过引入辅助变量，并由数值法确定所述辅助变量的上界，利用连续凸逼近和惩罚凹凸过程对固定的辅助变量进行智能反射面反射波束形成矢量的优化，得到所述固定的辅助变量下智能反射面反射波束形成矢量的最优解，并通过区域采样确定最优的辅助变量，从而确定所述第二优化子模型的最优解；
[0012]交替求解所述第一优化子模型和所述第二优化子模型，并计算每一次迭代的传输速率，当迭代误差小于所述收敛门限信息时，结束迭代，得到所述抗干扰和抗截获通信系统的最优波束形成矢量，根据所述最优波束形成矢量实现抗干扰和抗截获通信。
[0013]在其中一个实施例中，还包括：以所述抗干扰和抗截获通信系统传输速率最大化为目标函数，所述发射机的总功率门限信息、所述非法窃听者信息速率门限信息和所述智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变量，构建待求解的优化模型为：
[0014][0015]s.t.C1:
[0016]C2:||w
T
||2≤P
max
,
[0017]C3:
[0018]其中，w
T
表示发射机主动发射波束形成权矢量,v表示智能反射面反射波束形成矢量，P
max
表示所述发射机的总功率门限，τ表示所述非法窃听者信息速率门限，v＝[v1,v2,
…
,v
N
]T
，v
n
表示智能反射面每个反射单元相位系数，表示抗干扰和抗截获通信系统的传输速率，表示非法窃听方接收信息速率，Δh
JU
，ΔH
JU
和Δh
BE
，ΔH
BE
分别为干扰者
‑
用户链路、干扰者
‑
智能反射面
‑
用户级联链路和基站
‑
窃听者链路、基站
‑
智能反射面
‑
窃听者级联链路的信道状态信息误差。
[0019]在其中一个实施例中，还包括：将优化变量所述发射机主动发射波束形成权矢量w
T
和所述智能反射面反射波束形成矢量v耦合，将所述优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型；
[0020]所述第一优化子模型为：
[0021][0022]所述第二优化子模型为：
[0023][0024]其中，w
J
表示干扰机发射波束形成矢量，表示合法接收机处接收噪声方差，H
BU
＝diag(h
IU
)G
BI
，H
JU
＝diag(h
IU
)G
JI
，H
BE
＝diag(h
IE
)G
BI
，表示智能反射面到合法接收机的信道矢量，表示智能反射面到窃听者的信道矢量，表示发射机到智能反射面的信道矩阵，表示干扰机到智能反射面的信道矩阵。
[0025]在其中一个实施例中，还包括：对未知信道状态信息误差进行有界信道状态信息模型建模为：
[0026][0027][0028]其中，h
i
和H
i
表示在BS端已知的信道状态信息，Δh
i
和ΔH
i
表示未知信道状态信息误差，ξ
h,i
，ξ
H,i
表示信道状态信息不确定水平。
[0029]在其中一个实施例中，还包括：给定智能反射面反射波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非理想信道状态信息下基于智能反射面的无线抗干扰和抗截获通信方法，其特征在于，所述方法包括：获取抗干扰和抗截获通信系统的发射机的总功率门限信息、非法窃听者信息速率门限信息和收敛门限信息；所述抗干扰和抗截获通信系统包含一个配置多根天线的发射机、一个配置单天线的合法接收机和一个配置多个反射单元的智能反射面，所述合法接收机周围存在一个配置多根天线的干扰机和一个配置单天线的非法窃听者；以所述抗干扰和抗截获通信系统传输速率最大化为目标函数，所述发射机的总功率门限信息、所述非法窃听者信息速率门限信息和所述智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变量，构建待求解的优化模型；将所述优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型；所述第一优化子模型为发射机主动发射端优化模型；所述第二优化子模型为智能反射面反射端优化模型；给定智能反射面反射波束形成矢量，通过符号
‑
定义式变换和引入松弛变量将所述非法窃听者信息速率门限信息对应的约束条件方程转换为矩阵不等式，通过柯西
‑
施瓦兹不等式将所述第一优化子模型转换为凸优化模型，通过凸优化工具箱和连续凸逼近算法求解所述第一优化子模型；给定发射机主动发射波束形成权矢量，通过引入辅助变量，并由数值法确定所述辅助变量的上界，利用连续凸逼近和惩罚凹凸过程对固定的辅助变量进行智能反射面反射波束形成矢量的优化，得到固定的辅助变量下所述智能反射面反射波束形成矢量的最优解，并通过区域采样确定最优的辅助变量，从而确定所述第二优化子模型的最优解；交替求解所述第一优化子模型和所述第二优化子模型，并计算每一次迭代的传输速率，当迭代误差小于所述收敛门限信息时，结束迭代，得到所述抗干扰和抗截获通信系统的最优波束形成矢量，根据所述最优波束形成矢量实现抗干扰和抗截获通信。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述抗干扰和抗截获通信系统传输速率最大化为目标函数，所述发射机的总功率门限信息、所述非法窃听者信息速率门限信息和所述智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变量，构建待求解的优化模型，包括：以所述抗干扰和抗截获通信系统传输速率最大化为目标函数，所述发射机的总功率门限信息、所述非法窃听者信息速率门限信息和所述智能反射面各反射单元幅度归一化为约束条件，发射机主动发射波束形成权矢量和智能反射面反射波束形成矢量为优化变量，构建待求解的优化模型为：s.t.C1:C2:||w
T
||2≤P
max
,C3:其中，w
T
表示发射机主动发射波束形成权矢量,v表示智能反射面反射波束形成矢量，P
max
表示所述发射机的总功率门限，τ表示所述非法窃听者信息速率门限，v＝[v1,v2,
…
,v
N
]
T
，
v
n
表示智能反射面每个反射单元相位系数，表示抗干扰和抗截获通信系统的传输速率，表示非法窃听方接收信息速率，Δh
JU
，ΔH
JU
和Δh
BE
，ΔH
BE
分别为干扰者
‑
用户链路、干扰者
‑
智能反射面
‑
用户级联链路和基站
‑
窃听者链路、基站
‑
智能反射面
‑
窃听者级联链路的信道状态信息误差。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型，包括：将优化变量所述发射机主动发射波束形成权矢量w
T
和所述智能反射面反射波束形成矢量v耦合，将所述优化模型拆分成第一优化子模型和第二优化子模型；所述第一优化子模型为：所述第二优化子模型为：其中，w
J
表示干扰机发射波束形成矢量，表示合法接收机处接收噪声方差，H
BU
＝diag(h
IU
)G
BI
，H
JU
＝diag(h
IU
)G
JI
，H
BE
＝diag(h
IE
)G
BI
，表示智能反射面到合法接收机的信道矢量，表示智能反射面到窃听者的信道矢量，表示发射机到智能反射面的信道矩阵，表示干扰机到智能反射面的信道矩阵。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：安康，朱勇刚，李萌，孙艺夫，李勇，李程，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：