智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法及装置，该方法为：建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题；利用詹森不等式转换窃听者的可达速率表达式，将原始优化问题转换为两个子优化问题并求解；利用半定松弛技术，去除矩阵秩一约束，并更新波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵；计算波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵更新前后的安全速率之差的绝对值，直到满足条件；该装置包括模型构建、表达式转换、优化问题转换、更新、循环计算及判定五个模块。本发明专利技术降低了硬件成本，提高了无线传输的安全速率和安全性能。速率和安全性能。速率和安全性能。

【技术实现步骤摘要】
智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法及装置


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法及装置。

技术介绍

[0002]近年来，随着无线通信技术飞跃性的创新发展，无线网络已广泛应用于民用和军事领域。但是，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性，与物理传输介质相对封闭的有线通信相比，无线数据传输更容易被窃听，信息的安全问题愈发引人的关注。因此，如何保障通信安全是研究无线网络的一个关键性问题。
[0003]物理层安全技术是利用通信系统的物理层特性如热噪声、干扰和衰落信道的时变特性来实现保密，并利用传输信道的内在随机性来保证物理层的安全。作为一种新兴的安全的物理层传输技术，智能反射面近些年来引起了学术界和工业界的广泛关注。它的基本思想是通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，并且每个无源反射元件都能对入射的信号独立地产生一个可控的振幅或相位变化，从而智能地重新配置无线传播环境。
[0004]智能反射面通过主动地控制无线传播环境，在三维空间中实现信号传播方向调控，给通信系统增加了设计的自由度。由于智能反射面不要求传输射频链的使用，并且只在短距离内工作，因此它可以密集部署，具有更低的硬件成本和能耗，而无需进行复杂的干扰管理。在安全通信中，智能反射面能够对反射信号进行调谐，提高合法用户的数据速率并且降低窃听者的数据速率，从而有效减少信息泄露，可以在不部署其他昂贵且耗能的通信基础架构的情况下，增强系统的安全性能。
[0005]然而，在窃听者联合起来进行协作窃听的情况下，窃听者的截获能力得到增强，传统的安全速率最大化方法将不再适用，加入人工噪声后安全速率最大化的设计变得更加困难。因此，如何使安全速率得到提升，同时实现信息的可靠传输，成为智能反射面设计的研究重点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种硬件成本低、抗联合窃听、安全速率高、安全传输性能高的智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法及装置。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题；
[0009]步骤2、利用詹森不等式对窃听者的可达速率表达式进行转换；
[0010]步骤3、采用交替迭代结构，将原始优化问题转换为两个子优化问题进行求解；
[0011]步骤4、利用半定松弛技术，去除矩阵秩一约束，并更新波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵；
[0012]步骤5、计算波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵更新前、后的安全速率之差的绝对值，判断该绝对值是否小于设定阈值：如果不小于，则返回步骤4；如果小于，则终止计算，输出智能反射面中基于半定松弛的最大安全速率。
[0013]本专利技术还提供一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化装置，包括：
[0014]模型构建模块，用于建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题；
[0015]表达式转换模块，用于利用詹森不等式对窃听者的可达速率表达式进行转换；
[0016]优化问题转换模块，用于采用交替迭代结构，将原始优化问题转换为两个子优化问题进行求解；
[0017]更新模块，用于利用半定松弛技术，去除矩阵秩一约束，并更新波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵；
[0018]循环计算及判定模块，用于计算波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵更新前、后的安全速率之差的绝对值，判断该绝对值是否小于设定阈值：如果不小于，则返回更新模块；如果小于，则终止计算，输出智能反射面的最大安全速率。
[0019]一种移动终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法。
[0020]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法中的步骤。
[0021]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)削弱了联合窃听者协作截获隐私信息的能力，提高了无线传输的安全性；(2)通过半定松弛方法更新有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面的相移矩阵，并计算对应的安全速率，可以得到较高的安全速率，提升了系统安全传输的速率。
附图说明
[0022]图1为本专利技术智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法的流程示意图。
具体实施方式
[0023]本专利技术一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法，包括以下步骤：
[0024]步骤1、建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题；
[0025]步骤2、利用詹森不等式对窃听者的可达速率表达式进行转换；
[0026]步骤3、采用交替迭代结构，将原始优化问题转换为两个子优化问题进行求解；
[0027]步骤4、利用半定松弛技术，去除矩阵秩一约束，并更新波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵；
[0028]步骤5、计算波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵更新前、后的安全速率之差的绝对值，判断该绝对值是否小于设定阈值：如果不小于，则返回步骤4；如果小于，则终止计算，输出智能反射面中基于半定松弛的最大安全速率。
[0029]作为一种具体实施例，步骤1所述的建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定
义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题，具体如下：
[0030]步骤1.1、建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，其中基站采用阵元均匀线性阵列，期望用户和窃听用户均为单天线接收机，且窃听用户们联合进行协作窃听，智能反射面具有N个反射单元，基站天线个数为M，期望用户个数为K，窃听用户个数为L；
[0031]基站的发射信号x为：
[0032][0033]其中，s
k
是用户k的隐私信息，满足平均功率约束即E[|s
k
|2]＝1；是人工噪声向量且服从均值为0、协方差矩阵为Z的复高斯分布；是隐私信息波束成形向量；代表M
×
1的复值向量；
[0034]经过信道的传输，在期望用户Bob处和窃听用户Eve处的接收信号分别为y
b,k
、y
e,l
：
[0035][0036][0037]其中分别为反射面与Bob和Eve间的信道，分别为反射面与Bob和Eve间的信道，分别为基站到Bob和Eve间直达路径的信道，(
·
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题；步骤2、利用詹森不等式对窃听者的可达速率表达式进行转换；步骤3、采用交替迭代结构，将原始优化问题转换为两个子优化问题进行求解；步骤4、利用半定松弛技术，去除矩阵秩一约束，并更新波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵；步骤5、计算波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵更新前、后的安全速率之差的绝对值，判断该绝对值是否小于设定阈值：如果不小于，则返回步骤4；如果小于，则终止计算，输出智能反射面中基于半定松弛的最大安全速率。2.根据权利要求1所述的智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法，其特征在于，步骤1所述的建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，定义系统的安全速率和，建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题，具体如下：步骤1.1、建立智能反射面辅助的安全通信系统模型，其中基站采用阵元均匀线性阵列，期望用户和窃听用户均为单天线接收机，且窃听用户们联合进行协作窃听，智能反射面具有N个反射单元，基站天线个数为M，期望用户个数为K，窃听用户个数为L；基站的发射信号x为：其中，s
k
是用户k的隐私信息，满足平均功率约束即E[|s
k
|2]＝1；是人工噪声向量且服从均值为0、协方差矩阵为Z的复高斯分布；是隐私信息波束成形向量；代表M
×
1的复值向量；经过信道的传输，在期望用户Bob处和窃听用户Eve处的接收信号分别为y
b,k
、y
e,l
：：其中分别为反射面与Bob和Eve间的信道，分别为反射面与Bob和Eve间的信道，分别为基站到Bob和Eve间直达路径的信道，(
·
)
H
代表向量或者矩阵的共轭转置，为基站与反射面间的信道，为反射面的相移矩阵，n
bk
和n
el
分别是Bob和Eve的加性高斯白噪声，服从分布分别是Bob和Eve的加性高斯白噪声，服从分布分别是Bob和Eve的加性高斯白噪声，服从分布和是噪声的方差；代表N
×
M、1
×
N、1
×
M的复值向量；由此分别获得Bob处的可达速率R
k
＝log2(1+γ
k
)和Eve处的可达速率其中
其中u＝[v；1]，为反射面各个相位组合成的列向量，分别为基站通过反射面路径到第k个Bob和第l个Eve间的等效信道；diag代表将向量转化为对角化矩阵的操作；进一步地将信道组合为步骤1.2、定义系统的安全速率和R
s
为：步骤1.3、建立有用信号波束成形向量、人工噪声和智能反射面相移矩阵的优化问题为：其中P是基站的最大传输功率，|Θ
nn
|＝1指反射面的对角相移矩阵中每一项元素需满足模为1的约束。3.根据权利要求2所述的智能反射面中基于半定松弛的安全速率最大化方法，其特征在于，步骤2所述的利用詹森不等式对窃听者的可达速率表达式进行转换，具体如下：步骤2.1、定义和U＝uu
H
，W
k
、U分别为待优化的波束成形矩阵和智能反射面的相移矩阵，将原问题中的Bob处的可达速率R
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：束锋，王阳，石伟萍，邹骏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：