基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法技术

本发明专利技术提出一种基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法，针对智能反射面辅助的隐蔽通信系统，考虑在有限码长的场景下引入由大量无源反射单元组成的智能反射面，对发射机的发射功率与智能反射面的反射系数进行联合优化，改变发射机和接收机之间的信道环境，以最大化接收机处的接收信干噪比，确保信息的隐蔽传输。传输。传输。

【技术实现步骤摘要】
基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法。

技术介绍

[0002]随着通信技术的不断发展，无线通信系统面临越来越多的安全威胁，保护用户隐私变得愈发具有挑战性。无线通信安全方法主要有网络层加密技术和物理层安全技术。然而，这些技术都是从保护传输内容的角度出发，而忽略了原始数据本身，例如发射机位置、传输模式等，也可能暴露机密信息。在这种情况下，有研究者提出了一种更高等级的无线通信安全传输方案，即无线隐蔽通信技术，又被称为低概率检测通信。这种技术可以实现通信双方的信息秘密传输，防止通信信号被恶意用户发现，即信号隐蔽，若恶意用户无法确认信号的存在，则难以实施进一步的非法行为。然而，现有的隐蔽技术不可避免地会消耗额外的资源，如带宽和能量，这会给系统部署带来负担。此外，非法节点通常采用能量探测，这使得在隐蔽通信场景中发射机的发射功率较小，从而导致隐蔽传输速率较低。

技术实现思路

[0003]为了解决现有隐蔽技术的资源消耗问题，并进一步提升隐蔽传输速率，本专利技术引入了一种基于智能反射面的解决方案来增强隐蔽通信，其核心思想是利用智能反射面来重塑可能泄露秘密信息的不良传播条件。智能反射面与通信系统具有良好的兼容性，可以与现有的隐蔽技术结合工作，由于它只作为一个针对环境信号进行操作的辅助设备，因此无需重新制定或设计相应的协议和硬件。此外，智能反射面还可以与现有系统联合配置进行性能优化。
[0004]针对智能反射面辅助的隐蔽通信系统，考虑在有限码长的场景下引入由大量无源反射单元组成的智能反射面，对发射机的发射功率与智能反射面的反射系数进行联合优化，改变发射机和接收机之间的信道环境，以最大化接收机处的接收信干噪比，确保信息的隐蔽传输。
[0005]具体来说，发射机Alice希望在独立干扰机Jammer和监测者Willie存在的情况下，借助智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)向接收机Bob可靠地传送隐蔽信息。本专利技术针对IRS辅助的隐蔽通信系统，考虑在已知全局信道状态信息的情况下，对Alice的发射功率、IRS的反射系数以及Jammer的发射功率进行联合优化，以最大化Bob处的接收信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。由于该优化问题为非凸问题，本专利技术分别通过基于Dinkelbach方法的交替迭代算法和一种低复杂度算法进行求解。实验结果表明，本专利技术所提出算法的隐蔽通信性能优于基准方案。
[0006]本专利技术具体采用以下技术方案：
[0007]一种基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法，其特征在于：
[0008]所基于的无线通信场景为：发射机借助智能反射面向接收机传输隐蔽信息，监测
者则试图根据其接收信号判断发射机是否发送信息；独立干扰机发送干扰信号干扰监测者的检测，使监测者的检测性能变差，但同时会一定程度上影响接收机的接收，导致接收机的传输速率下降，接收SINR减小；
[0009]在已知全局信道状态信息且考虑有限码长的情况下，通过联合优化发射机的发射功率、智能反射面的反射系数以及干扰机的发射功率，以最大化接收机的接收SINR，确保传输的隐蔽性。
[0010]设发射机、接收机、监测者、干扰机配备单天线，智能反射面具有N个反射单元，且各反射单元的反射系数都可以根据传播环境进行动态调整；此外，由于显著的路径损耗，忽略经过智能反射面反射两次或两次以上的信号，且所考虑的系统中所有信道都受到准静态平坦衰落的影响；构建优化问题模型如下：
[0011][0012][0013]0≤P
a
≤P
amax
,
[0014]0≤P
j
≤P
jmax
,
[0015][0016]式中，P
amax
、P
jmax
分别表示发射机和干扰机的最大发射功率；第一个约束条件为隐蔽约束，第二个和第三个约束条件分别表示对发射机和干扰机的最小及最大发射功率限制，第四个约束条件是对智能反射面每个反射单元的相位限制；
[0017]和分别表示在和假设下的似然函数，表示到的KL散度；表示零假设，即发射机没有向接收机发送信息；为备择假设，即发射机向接收机发送信息；采用ξ≥1
‑
∈作为隐蔽约束，其中∈为一个任意小的数，用于决定隐蔽性等级的高低；P
a
、P
j
分别为发射机和干扰机处的发射功率，为智能反射面的相移矩阵，θ
n
∈[0,2π),为智能反射面的第n个反射单元的相位；h
aw
,h
jr
,h
jw
分别表示智能反射面
‑
监测者链路、发射机
‑
监测者链路、干扰机
‑
智能反射面链路、干扰机
‑
监测者链路的等效信道；
[0018][0019]其中，表示监测者处噪声的方差，γ
w
表示监测者的信干噪比；
[0020]通过求解所提出的所述优化问题模型的最优解，解得最优发射机发射功率P
a
，智能反射面反射系数Θ以及干扰机发射功率P
j
，使得在最大化接收机处的SINR的同时确保信息的隐蔽传输。
[0021]本专利技术的优化问题模型的设计过程包括以下步骤：
[0022]步骤S1：分析监测者的检测性能，根据其错误检测概率下界得到系统的隐蔽约束条件。
[0023]步骤S2：分析发射机到接收机的传输情况，构建优化问题模型。
[0024]其中，分析监测者的检测性能具体为：监测者首先要根据接收信号y
w
[i]来判断发射机是否向接收机发送信息，即要区分两类假设：和和表示零假设，即发射机没有向接收机发送信息；为备择假设，即发射机向接收机发送信息。在隐蔽通信中，监测者希望最小化错误检测概率，故采用似然比检测，但由于根据似然比函数推导得到的最小检测错误概率解析式包含不完全Gamma函数，不利于后续的优化，因此根据Pinsker不等式，进一步得到最小错误检测概率ξ的下界来衡量系统的隐蔽性能：
[0025][0026]式中，和分别表示在和假设下的似然函数，表示到的KL散度。在隐蔽通信中，一般采用ξ≥1
‑
∈作为隐蔽约束，其中∈为一个任意小的数用于决定隐蔽性等级的高低。综合考虑上述两个公式，本专利技术所采用的隐蔽约束表达式为：
[0027][0028]对于分析发射机到接收机的传输情况。本专利技术则考虑有限码长场景，即衰落块上传输的总符号数L是一个较小的有限值，则接收机处的译码错误概率δ不可忽略，故将有效吞吐量η作为评估系统隐蔽传输性能的指标，其中η＝LR(1
‑
δ)，R表示传输速率。对于给定的传输速率，η是用户接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法，其特征在于：所基于的无线通信场景为：发射机借助智能反射面向接收机传输隐蔽信息，监测者则试图根据其接收信号判断发射机是否发送信息；独立干扰机发送干扰信号干扰监测者的检测，使监测者的检测性能变差，但同时会一定程度上影响接收机的接收，导致接收机的传输速率下降，接收SINR减小；设发射机、接收机、监测者、干扰机配备单天线，智能反射面具有N个反射单元，且各反射单元的反射系数都可以根据传播环境进行动态调整；此外，由于显著的路径损耗，忽略经过智能反射面反射两次或两次以上的信号，且所考虑的系统中所有信道都受到准静态平坦衰落的影响；构建优化问题模型如下：衰落的影响；构建优化问题模型如下：衰落的影响；构建优化问题模型如下：0≤P
j
≤P
jmax
,式中，P
jmax
分别表示发射机和干扰机的最大发射功率；第一个约束条件为隐蔽约束，第二个和第三个约束条件分别表示对发射机和干扰机的最小及最大发射功率限制，第四个约束条件是对智能反射面每个反射单元的相位限制；和分别表示在和假设下的似然函数，表示到的KL散度；表示零假设，即发射机没有向接收机发送信息；为备择假设，即发射机向接收机发送信息；采用ξ≥1
‑
∈作为隐蔽约束，其中∈为一个任意小的数，用于决定隐蔽性等级的高低；P
a
、P
j
分别为发射机和干扰机处的发射功率，为智能反射面的相移矩阵，θ
n
∈[0,2π),为智能反射面的第n个反射单元的相位；h
aw
,h
jr
,h
jw
分别表示智能反射面
‑
监测者链路、发射机
‑
监测者链路、干扰机
‑
智能反射面链路、干扰机
‑
监测者链路的等效信道；
其中，表示监测者处噪声的方差，γ
w
表示监测者的信干噪比；通过求解所提出的所述优化问题模型的最优解，解得最优发射机发射功率P
a
，智能反射面反射系数Θ以及干扰机发射功率P
j
，使得在最大化接收机处的SINR的同时确保信息的隐蔽传输。2.根据权利要求1所述的基于智能反射面和独立干扰机的隐蔽通信方法，其特征在于：采用基于Dinkelbach方法的交替迭代算法对所述优化问题模型进行求解：根据是γ
w
的单调递增函数，将第一个约束条件等效重写为其中是下列方程的解：考虑到优化变量Θ为对角矩阵，定义由Θ的对角线元素组成的向量为u＝(u1,u2,
…
,u
N
)
H
，其中从而将第四个约束条件转...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡锦松，程贝希，石小强，陈由甲，郑海峰，冯心欣，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：