一种无线通信系统安全传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无线通信系统安全传输方法，在基站和合法用户之间设置主动IRS；根据从基站到主动IRS的信道数据G、从基站到合法用户的信道数据h

【技术实现步骤摘要】
一种无线通信系统安全传输方法


[0001]本专利技术涉及一种无线通信系统安全传输方法，属于无线通信物理层安全传输


技术介绍

[0002]第六代移动通信网络（6G）预计将成为智能数字社会的关键推动力，超高数据速率、高能效、大规模覆盖和高度安全的通信是6G的发展目标和方向。面对日益增长的安全通信的需求，利用智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)来实现无线通信系统的物理层安全是应对这一挑战的有效方法。
[0003]IRS是由大量反射元件组成的新型通信设备，每个反射元件都可以通过调整自身的反射相位来反射入射信号，为无线通信设备提供额外的反射链路。由于该特性，IRS可以用于提高无线通信系统的安全性能。根据IRS是否能够放大信号，将其分为主动IRS和被动IRS。被动IRS不携带电源，仅能够反射信号。而主动IRS的反射元件都配有额外的有源负载，不仅能够反射入射信号，还能对入射信号进行放大。然而， IRS辅助的安全传输方面存在“发射端
‑
IRS
‑
接收端”双衰落限制，并且被动IRS只能反射入射信号，这导致基于被动IRS的方案对于系统安全性能的提升往往是有限的。
[0004]为了改善双衰落带来的影响，被动IRS通过增加反射元件数目来获得系统性能提升，但这增加了IRS体积，限制了IRS的使用场景。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种无线通信系统安全传输方法。
>[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种无线通信系统安全传输方法，包括：在基站和合法用户之间设置主动IRS，所述主动IRS为主动智能反射面；获取从基站到主动IRS的信道数据G、从基站到合法用户的信道数据h
ub
、从基站到窃听者的信道数据h
eb
、从主动IRS到合法用户的信道数据h
us
、从主动IRS到窃听者的信道数据h
es
、基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数；根据从基站到主动IRS的信道数据G、从基站到合法用户的信道数据h
ub
、从基站到窃听者的信道数据h
eb
、从主动IRS到合法用户的信道数据h
us
、从主动IRS到窃听者的信道数据h
es
、基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，计算无线通信系统的安全传输速率；以安全传输速率最大化为目的，得到优化后的基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数。
[0007]进一步的，所述主动IRS为包括N个反射元件的主动IRS，所述合法用户和窃听者均为单天线。
[0008]进一步的，所述无线通信系统的安全传输速率为：
R
s
=[R
u
‑
R
e ]+
[ ]+
表示R
s
的值为R
u
‑
R
e
和0之间的最大值；R
s
表示无线通信系统的安全传输速率，r
u
表示合法用户处的信噪比，r
e
表示窃听者处的信噪比，R
u
表示合法用户处的传输速率，R
e
表示窃听者处的传输速率，z
b
表示人工噪声向量，Φ是主动IRS相位反射系数矩阵，上标H表示埃尔米特共轭，w表示合法用户的波束成形向量，σ
s
表示主动IRS处的噪声功率，σ
u
表示合法用户处的噪声功率，σ
e
表示窃听者处的噪声功率。
[0009]进一步的，所述以安全传输速率最大化为目的，得到优化后的基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，包括：联合优化基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，建立求解安全速率最大化问题P1，安全速率最大化问题P1表示为：对所述安全速率最大化问题P1进行求解，包括：1）给定Φ，通过连续凸逼近求解获得w和z
b
的次优解w*和z
b
*；Φ=diag (ρ)ΘΘ=diag (q)ρ为主动IRS的放大系数，Θ为主动IRS的相移矩阵，diag ()表示向量的对角矩阵，q为相移向量；2）根据得到的w和z
b
的次优解w*和z
b
*，求解Φ，得到ρ和Θ的次优解ρ*和Θ*；3）重复步骤1）和步骤2），直至无线通信系统的安全传输速率R
s
收敛，得到最终优化的次优解{ w*, z
b
*,ρ*,Θ*}；
P
b
是基站功率，P
s
是主动IRS的功率, Nμ代表主动IRS反射元件自身的功率损耗，μ表示每个反射元件的功耗, N为反射元件数量，Φ[n,n]表示Φ的第n个对角线元素，η
n
是主动IRS第n个反射元件最大的放大系数, I
N
表示N
×
N的单位矩阵，Z表示人工噪声的协方差矩阵，函数Tr( )表示求矩阵迹运算，‖‖表示向量的欧几里得范数，‖‖
F
表示矩阵的Frobenius
‑
范数。
[0010]进一步的，所述给定Φ，通过连续凸逼近求解获得w和z
b
的次优解w*和z
b
*，包括：给定ρ和Θ，利用连续凸逼近方法将安全速率最大化问题P1改写为安全速率最大化问题P2；安全速率最大化问题P2的目标函数表示为：安全速率最大化问题P2的目标函数表示为：为利用连续凸逼近方法变换后的目标函数；安全速率最大化问题P2的约束条件为：安全速率最大化问题P2的约束条件为：、c为辅助性符号，，，是给定Φ的初始值；通过利用半正定松弛技术松弛秩为1的约束条件，将安全速率最大化问题P2改为凸优化问题，使用CVX工具求解凸优化问题，然后使用特征值分解方法从求解的结果中得到满足秩为1的解，用和表示求解凸优化问题得到的值，令，，将更新后的值代入凸优化问题迭代直至收敛，最终得到W、Z的次优解，利用特征值分解方法分别从中得到w和z
b
的次优解w*和z
b
*；函数Tr( )表示求矩阵迹运算，函数Rank( )表示矩阵的秩，W表示基站波束成形矩阵，，上标i表示第i次迭代。
[0011]进一步的，所述根据得到的w和z
b
的次优解w*和z
b
*，求解Φ，得到ρ和Θ的次优解ρ*和Θ*，包括：在得到后，引入松弛变量ε
u
、ι
u
、ε
e
、ι
e
以及使用连续凸逼近方法将安全速率最大化问题P1改写为安全速率最大化问题P4，安全速率最大化问题P4的目标函数为：其中，
、、、、和为辅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线通信系统安全传输方法，其特征在于，包括：在基站和合法用户之间设置主动IRS，所述主动IRS为主动智能反射面；获取从基站到主动IRS的信道数据G、从基站到合法用户的信道数据h
ub
、从基站到窃听者的信道数据h
eb
、从主动IRS到合法用户的信道数据h
us
、从主动IRS到窃听者的信道数据h
es
、基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数；根据从基站到主动IRS的信道数据G、从基站到合法用户的信道数据h
ub
、从基站到窃听者的信道数据h
eb
、从主动IRS到合法用户的信道数据h
us
、从主动IRS到窃听者的信道数据h
es
、基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，计算无线通信系统的安全传输速率；以安全传输速率最大化为目的，得到优化后的基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数。2.根据权利要求1所述的无线通信系统安全传输方法，其特征在于，所述主动IRS为包括N个反射元件的主动IRS，所述合法用户和窃听者均为单天线。3.根据权利要求1所述的无线通信系统安全传输方法，其特征在于，所述无线通信系统的安全传输速率为：R
s
=[R
u
‑
R
e ]
+
[ ]
+
表示R
s
的值为R
u
‑
R
e
和0之间的最大值；R
s
表示无线通信系统的安全传输速率，r
u
表示合法用户处的信噪比，r
e
表示窃听者处的信噪比，R
u
表示合法用户处的传输速率，R
e
表示窃听者处的传输速率，z
b
表示人工噪声向量，Φ是主动IRS相位反射系数矩阵，上标H表示埃尔米特共轭，w表示合法用户的波束成形向量，σ
s
表示主动IRS处的噪声功率，σ
u
表示合法用户处的噪声功率，σ
e
表示窃听者处的噪声功率。4.根据权利要求3所述的无线通信系统安全传输方法，其特征在于，所述以安全传输速率最大化为目的，得到优化后的基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，包括：联合优化基站波束成形向量、人工噪声、主动IRS相位矩阵和主动IRS放大系数，建立求解安全速率最大化问题P1，安全速率最大化问题P1表示为：
对所述安全速率最大化问题P1进行求解，包括：1）给定Φ，通过连续凸逼近求解获得w和z
b
的次优解w*和z
b
*；Φ=diag (ρ)ΘΘ=diag (q)ρ为主动IRS的放大系数，Θ为主动IRS的相移矩阵，diag ()表示向量的对角矩阵，q为相移向量；2）根据得到的w和z
b
的次优解w*和z
b
*，求解Φ，得到ρ和Θ的次优解ρ*和Θ*；3）重复步骤1）和步骤2），直至无线通信系统的安全传输速率R
s
收敛，得到最终优化的次优解{ w*, z
b
*,ρ*,Θ*}；P
b
是基站功率，P
s
是主动IRS的功率, Nμ代表主动IRS反射元件自身的功率损耗，μ表示每个反射元件的功耗, N为反射元件数量，Φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕斌，李健，曹怡，齐婷，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：