一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统及通信方法技术方案

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，公开了一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统，包括：IRS，由若干个无源元件构成；至少一个窃听者；至少一个合法用户；混合接入点，所述混合接入点同时具备能量信号传输功能和信息传输功能；所述混合接入点、合法用户以及窃听者均装备单天线，且在所述混合接入点到所述合法用户的下行链路中，所述IRS被用来增强来自于所述混合接入点的能量信号，在合法用户到混合接入点的上行链路中，所述IRS可以在约束窃听者速率的同时协助合法用户到混合接入点的信息传输，本发明专利技术还公开了一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统的通信方法。本发明专利技术可以限制窃听者的信息传输速率，实现安全通信的目的。实现安全通信的目的。实现安全通信的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统及通信方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统及通信方法。

技术介绍

[0002]随着21世纪的到来，各种移动设备的普及，无线通信已经称为了这个时代不可或缺的一部分，为了实现用户更多的实际需求，相比与第四代无线网络，第五代无线网络提出了：高速率，低时延，高可靠的要求。据不完全统计，相比与第四代无线网络，第五代无线网络的数百倍的网络容量增长目标，以及至少百亿级别的硬件设备的无线连接已经基本实现。然而，由于超密集网络、大规模多输入多输出和射频链等关键技术的使用，带来了譬如，设备的高复杂性、昂贵的硬件成本、硬件之间复杂的干扰管理以及射频链等高能耗设备带来的能源消耗，这些问题尚未得到完美的解决。为了解决通信系统现存的诸多问题，就有学者指出，应该采用一种低能耗的设备对传播环境进行人为智能的控制，在消除干扰的同时，尽可能的以更低成本来改善通信系统的传输性能。其中一种方案就是，可以利用IRS(Intelligent ReflectingSurface，智能反射表面)这种技术，通过控制入射到表面上的反射信号的幅度和相位，实现对传播环境的人为的智能的控制。由于IRS不使用发射射频链，并且仅在短距离内运作，因此它可以以更客观的成本和能耗密集部署，并且不需要在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。
[0003]此外，由于IRS的可塑性，在实际应用中可以制作出符合任意形状表面的IRS，可以安装在不同的位置，例如：墙壁、天花板、建筑物表面、广告面板以及一些可以提供充足面积的物体，以满足不同应用的通信场景。此外，由于IRS是一种补充设备，将其部署在现有的网络环境中，不需要修改现有网络环境中任何的硬件和标准，兼容性极强，同时也具备高度的灵活性，例如，首先，它可以通过分集增益来增强有用信息的传输，同时，在毫米波通信中，由于毫米波通信存在严重的路径损耗问题，可以通过IRS的无源波束成形技术，建立基站与用户之间和IRS相关的级联链路，来绕过基站与用户之间的“死区”来实现基站与用户之间的通信。其次，当通信系统中存在窃听者的时候，IRS可以通过无源波束成形，在窃听者处利用相位叠加(干涉)的方法，破坏窃听者处的窃听信号。
[0004]随着5G万物互联的到来，物联网的普及已经成为了一个必然的趋势，在物联网中，大量传感器的应用使得无线功率传输(wireless energy transfer,WPT)这种技术变得十分有前景，然而由于WPT存在传输效率低，覆盖范围小等特点，因此，在实际中难以得到广泛地应用，而IRS的无缘波束成形可以很好的提高WPT的能量传输效率以及它的覆盖范围。因此，设计出一种新型的IRS的安全无线供电通信网络系统，在提高WPT的能量传输效率以及其的覆盖范围的同时，能够安全的进行数据传输，这种需求迫在眉睫。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统及通信方法，通过联合优
化时间分配和IRS处对应的相移矩阵，可以很好的解决在存在窃听者的情况下，系统的安全传输存在的问题。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统，包括：
[0008]IRS，由若干个无源元件构成；
[0009]至少一个窃听者；
[0010]至少一个合法用户；
[0011]混合接入点，所述混合接入点同时具备能量信号传输功能和信息传输功能；
[0012]所述混合接入点、合法用户以及窃听者均装备单天线，且在所述混合接入点到所述合法用户的下行链路中，所述IRS被用来增强来自于所述混合接入点的能量信号，在合法用户到混合接入点的上行链路中，所述IRS可以在约束窃听者速率的同时协助合法用户到混合接入点的信息传输。
[0013]作为优化，所述混合接入点为中心控制点，具有协调所述IRS、窃听者和合法用户之间的传输能力，并具有执行计算卸载任务的计算能力和供给恒定的能源的能力。
[0014]本专利技术还公开了一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统的通信方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1、由所述混合接入点发送能量信号x0(t)给所述合法用户，所述合法用户接收信号为y
(1)
(t)；
[0016]步骤2、所述合法用户利用步骤1收集到的能量信号进行信息传输，与此同时，调整所述IRS的相移矩阵、能量信号传输时间以及信息传输时间，以确保所述合法用户在存在窃听者的情况下进行安全的信息传输。
[0017]作为优化，步骤1中，所述混合接入点发送能量信号给所述合法用户所持续的时间为t1，发送能量信号的功率为p
h
，发送能量信号的大小为E[|x0(t)|2]的能量信号x0(t)，此时所述 IRS的反射相移矩阵为Θ1＝diag(v
1,1
,...,v
1,n
,...,v
1,N
)，其中，v
1,n
为相应的IRS相移矩阵系数，N为无源元件的数量，θ为表示IRS每个单元对应的相移，θ为表示IRS每个单元对应的相移，g
H,u
分别表示所述混合接入点到IRS、所述IRS到合法用户、所述混合接入点到合法用户之间的下行信道向量，合法用户接收信号时的噪声为n
(1)
(t)；此时，所述合法用户接收到的能量信号y
(1)
(t)为所述合法用户接收到的能量信号的能量大小为：E
(1)
＝ηE[|y
(1)
(t)|2]t1＝η|g
H,r
Θ1g
R,u
+g
H,u
|2p
h
t1，其中0＜η＜1表示为接收端合法用户设备的能量转换效率。
[0018]作为优化，步骤2的具体实施步骤为：
[0019]步骤2.1、所述合法用户发送信息，此时所述IRS的反射相移矩阵定义为Θ2，所述合法用户发送信息所持续的时间定义为t2；
[0020]步骤2.2、分别计算所述合法用户发送信息到达所述混合接入点以及所述合法用户发送信息到达所述窃听者的可达速率；
[0021]步骤2.3、在确保信息到达所述窃听者的可达速率小于约束阈值的条件下，以最大化合法用户的信息传输速率为目标，对所述IRS的反射相移矩阵Θ1、Θ2和传输时间分配t＝[t1,t2]进行优化。
[0022]作为优化，优化所述IRS的反射相移矩阵Θ1、Θ2和传输时间分配t＝[t1,t2]的方法为：在固定Θ2、t2的条件下获得能量信号传输阶段的所述IRS的反射相移矩阵Θ1的闭合解，然后在固定Θ1和t1的条件下，求得信息传输阶段的IRS相移矩阵Θ2，以及信息发送持续时间t2。
[0023]作为优化，优化所述IRS的反射相移矩阵Θ1,Θ2和传输时间分配t＝[t1,t2]的具体步骤为：
[0024]步骤2.3.1、在固定Θ2、t2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统，其特征在于，包括：IRS，由若干个无源元件构成；至少一个窃听者；至少一个合法用户；混合接入点，所述混合接入点同时具备能量信号传输功能和信息传输功能；所述混合接入点、合法用户以及窃听者均装备单天线，且在所述混合接入点到所述合法用户的下行链路中，所述IRS被用来增强来自于所述混合接入点的能量信号，在合法用户到混合接入点的上行链路中，所述IRS可以在约束窃听者速率的同时协助合法用户到混合接入点的信息传输。2.根据权利要求1所述的一种IRS的安全无线供电通信网络系统，其特征在于，所述混合接入点为中心控制点，具有协调所述IRS、窃听者和合法用户之间的传输能力，并具有执行计算卸载任务的计算能力和供给恒定的能源的能力。3.一种基于权利要求1
‑
2任一所述的IRS的安全无线供电通信网络系统的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、由所述混合接入点发送能量信号x0(t)给所述合法用户，所述合法用户接收信号为y
(1)
(t)；步骤2、所述合法用户利用步骤1收集到的能量信号进行信息传输，与此同时，调整所述IRS的相移矩阵、能量信号传输时间以及信息传输时间，以确保所述合法用户在存在窃听者的情况下进行安全的信息传输。4.根据权利要求3所述的一种基于IRS的安全无线供电通信网络系统的通信方法，其特征在于，步骤1中，所述混合接入点发送能量信号给所述合法用户所持续的时间为t1，发送能量信号的功率为p
h
，发送能量信号的大小为E[|x0(t)|2]的能量信号x0(t)，此时所述IRS的反射相移矩阵为Θ1＝diag(v
1,1
,...,v
1,n
,...,v
1,N
)，其中，v
1,n
为相应的IRS相移矩阵系数，N为无源元件的数量，θ为表示IRS每个单元对应的相移，θ为表示IRS每个单元对应的相移，g
H,u
分别表示所述混合接入点到IRS、所述IRS到合法用户、所述混合接入点到合法用户之间的下行信道向量，合法用户接收信号时的噪声为σ
(1)
(t)；此时，所述合法用户接收到的能量信号y
(1)
(t)为所述合法用户接收到的能量信号的能量大小为：E

【专利技术属性】
技术研发人员：宋清洋，田照云，孙巍，亓伟敬，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：