基于STAR-RIS的NOMA网络物理层安全优化方法技术

基于STAR

【技术实现步骤摘要】
基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法


[0001]本专利技术属于无线网络安全领域，具体涉及NOMA网络的物理层安全优化方法，是一种利用无线接入技术、最优化以及计算机科学与技术在非完美窃听者信道状态信息条件下实现基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法。

技术介绍

[0002]随着材料领域中超表面的蓬勃发展，研究者提出了可重构智能表面(Reconfigurable Intelligence Surface RIS)的全新概念，RIS能够通过智能地反射信号来配置无线信道。然而，对于传统RIS而言，基站(Base Station,BS)和用户设备(User Equipment,UE)必须位于传统RIS的同一侧，这限制了其在更复杂场景中的应用。最近，为了克服传统RIS的上述缺点，同时传输和反射可重构智能表面(Simultaneous Transmission and Reflection RIS,STAR
‑
RIS)应运而生，该种可重构智能表面可在能量分裂(Energy Splitting,ES)、模式切换(Mode Switching,MS)和时间切换(Time Switching,TS)三种工作协议下实现360
°
的无线信号覆盖。
[0003]非正交多址(Non
‑
orthogonal Multiple Access,NOMA)有望满足第六代(Sixth Generation,6G)无线网络的频谱效率(Spectrum Efficiency,SE)要求。许多学者对STAR
‑
RIS辅助的NOMA网络进行了如下几个方面的研究，例如，最大化网络覆盖范围以及最小化网络功耗。特别地，基于STAR
‑
RIS的物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术问题被广泛探讨。有研究者在各种STAR
‑
RIS协议下，研究了多输入单输出(Multiple
‑
input Single
‑
output,MISO)网络中的保密通信速率最大化问题，该模型考虑了BS波束形成向量以及STAR
‑
RIS系数。另外也有学者利用人工噪声以及STAR
‑
RIS进一步增强NOMA网络的安全性。然而，几乎所有的方法都假设窃听者的信道状态信息(Channel State Information,CSI)是完全已知的，这对于实际的无线通信系统来说是不现实的。总之，在窃听者非完美CSI条件下基于STAR
‑
RIS增强下行MISO NOMA网络的物理层安全仍然是一个开放的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了在窃听者非完美CSI条件下增强下行MISO NOMA网络的安全性，而提出基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法。
[0005]基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法具体过程为：
[0006]步骤一：初始化参数，包括基站
‑
STAR
‑
RIS信道h
AS
，STAR
‑
RIS
‑
Bob信道STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计值STAR
‑
RIS
‑
Eve信道真实值STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计误差STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计误差范围记作∈
l
，非完美串行干扰消除系数η，噪声方差σ2，交替优化算法迭代次数N
BCD
，连续凸近似算法最大迭代次数N
SCA
，基站主动波束赋形参数STAR
‑
RIS被动波束赋形参数交替优化算法迭代次数索引n＝0，连续凸近似算法迭代次数索引m＝0；
[0007]步骤二：将合法用户，非法窃听者分别称为Bob，Eve，对非完美窃听者CSI条件下基于STAR
‑
RIS的下行MISO NOMA网络物理层安全问题进行数学建模；
[0008]所述CSI为信道状态信息；
[0009]STAR
‑
RIS为同时传输和反射可重构智能表面；
[0010]MISO为多输入单输出；
[0011]NOMA为非正交多址；
[0012]步骤三：利用连续凸近似算法在固定步骤三：利用连续凸近似算法在固定的情况下求解基站主动波束赋形参数ω
l
，令m＝m+1且并执行步骤四；
[0013]其中，为第n次交替优化算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数，为第m次连续凸近似算法迭代中的基站主动波束赋形参数；
[0014]步骤四：若连续凸近似算法迭代次数索引满足m≥N
SCA
，令m＝0，并进行步骤五，若m＜N
SCA
，进行步骤三；
[0015]其中，为第n次交替优化算法迭代中的基站主动波束赋形矢量；
[0016]步骤五：利用连续凸近似算法在固定步骤五：利用连续凸近似算法在固定的情况下求解STAR
‑
RIS被动波束赋形参数Φ
l
，令m＝m+1且执行步骤六；
[0017]其中，为第m次连续凸近似算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数；
[0018]步骤六：若连续凸近似算法迭代次数索引满足m≥N
SCA
，令m＝0，n＝n+1并进行步骤七，若m＜N
SCA
，进行步骤五；
[0019]其中，为第n+1次连续凸近似算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数；
[0020]步骤七：若交替优化算法迭代次数索引满足n≥N
BCD
，则算法结束，输出以及否则进行步骤三。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]本专利技术在非完美窃听者CSI条件下提出了基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法。首先，本专利技术提出了在非完美窃听者CSI条件下的保密通信速率建模方法。其次，本专利技术利用交替优化算法对优化变量进行解耦，化简为更简单的形式。最后，本专利技术利用连续凸近似算法解决了基站主动波束赋形优化问题以及STAR
‑
RIS参数优化中的非凸特性，实现了下行MISO NOMA网络中的物理层安全优化。本专利技术可以增强下行MISO NOMA网络的安全性，在不同的天线个数以及各种信道估计误差参数情况下均具备优秀性能。
[0023]本专利技术的意义在于增强下行MISO NOMA网络的安全性，并在相同安全性指标条件下降低硬件开销。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：初始化参数，包括基站
‑
STAR
‑
RIS信道h
AS
，STAR
‑
RIS
‑
Bob信道STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计值STAR
‑
RIS
‑
Eve信道真实值STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计误差STAR
‑
RIS
‑
Eve信道估计误差范围记作∈
l
，非完美串行干扰消除系数η，噪声方差σ2，交替优化算法迭代次数N
BCD
，连续凸近似算法最大迭代次数N
SCA
，基站主动波束赋形参数STAR
‑
RIS被动波束赋形参数Φ
l0
，交替优化算法迭代次数索引n＝0，连续凸近似算法迭代次数索引m＝0；步骤二：将合法用户，非法窃听者分别称为Bob，Eve，对非完美窃听者CSI条件下基于STAR
‑
RIS的下行MISO NOMA网络物理层安全问题进行数学建模；所述CSI为信道状态信息；STAR
‑
RIS为同时传输和反射可重构智能表面；MISO为多输入单输出；NOMA为非正交多址；步骤三：利用连续凸近似算法在固定的情况下求解基站主动波束赋形参数ω
l
，令m＝m+1且并执行步骤四；其中，为第n次交替优化算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数，为第m次连续凸近似算法迭代中的基站主动波束赋形参数；步骤四：若连续凸近似算法迭代次数索引满足m≥N
SCA
，令m＝0，并进行步骤五，若m＜N
SCA
，进行步骤三；其中，为第n次交替优化算法迭代中的基站主动波束赋形矢量；步骤五：利用连续凸近似算法在固定的情况下求解STAR
‑
RIS被动波束赋形参数Φ
l
，令m＝m+1且执行步骤六；其中，为第m次连续凸近似算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数；步骤六：若连续凸近似算法迭代次数索引满足m≥N
SCA
，令m＝0，n＝n+1并进行步骤七，若m＜N
SCA
，进行步骤五；其中，为第n+1次连续凸近似算法迭代中的STAR
‑
RIS被动波束赋形参数；步骤七：若交替优化算法迭代次数索引满足n≥N
BCD
，则算法结束，输出以及否则进行步骤三。2.根据权利要求1所述的基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法，其特征在于：所述步骤二中将合法用户，非法窃听者分别称为Bob，Eve，对非完美窃听者CSI条件下基于STAR
‑
RIS的下行MISO NOMA网络物理层安全问题的数学建模方法；具体过程为：Eve与STAR
‑
RIS之间的信道可以表示为RIS之间的信道可以表示为其中，Ω
l
为NOMA解码顺序；为定义符号；为M维复向量空间；|| ||为二范数；
那么Bob和Eve的信干噪比SINR分别为那么Bob和Eve的信干噪比SINR分别为其中，为合法用户Bob的信干噪比SINR；ω
l
′
为第l
′
个用户对应的基站主动波束赋形参数；ω
i
为第i个用户对应的基站主动波束赋形参数；Ω(i)为第i个用户的解码顺序；Ω(l
′
)为第l
′
个用户的解码顺序；为串行干扰消除残留，ω
j
为第j个用户对应的基站主动波束赋形参数，Ω(j)为第j个用户的解码顺序；()
H
为共轭转置；l为用户索引；l
′
为用户索引；Φ
l
为STAR
‑
RIS被动波束赋形参数；为非法窃听者Eve的信干噪比SINR；ω
l
为第l个用户对应的基站主动波束赋形参数；Bob和Eve的可达通信速率分别为由于Eve的信道存在信道估计误差，那么最低保密通信速率为优化基站主动波束赋形参数以及STAR
‑
RIS被动波束赋形参数，最大化最低保密通信速率，形成如下优化问题模型其中，P
max
为基站最大发射功率，C
B
为Bob最低可达速率，C
E
为Eve最高可达速率，为STAR
‑
RIS相位，为STAR
‑
RIS幅度参数；为第l个用户解码第k个用户数据时的可达速率，为第k个用户解码第k个用户数据时的可达速率，为第l个用户解码第l个用户数据时的可达速率，Ω(k)为第k个用户的解码顺序，Ω(l)为第l个用户的解码顺序；引入松弛变量τ
l
→
l
，并利用S
‑
procedure定理将问题转化为如下形式：
其中，P
l
→
l
为S
‑
procedure对应变量，Q
l
→
l
以及为正定约束对应参数，I
M
为M维单位阵；[]
+
定义为[x]
+
＝(|x|+x)/2，x为变量；为半正定。3.根据权利要求2所述的基于STAR
‑
RIS的NOMA网络物理层安全优化方法，其特征在于：所述步骤三中利用连续凸近似算法在固定的情况下求解基站主动波束赋形参数ω
l
；具体过程为：在仅考虑基站主动波束赋形情况下，问题可以化简为令W
l
＝ω
l
(ω
l
)
H
，W
l
满足rank(W
l
)＝1且其中关于W
l
的秩1约束利用核范数||W
l
||
*
以及谱范数||W
l
||2进行替换，问题中的非凸约束(b)
‑
(c)采用连续凸近似以及一阶泰勒展开进行近似，引入松弛变量最终问题可以化简为：
其中，其中，其中，Δg1(l
′
)＝g1(W
l
′
)
‑
g1(W
l
′
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)Δg2(i,l
′
)＝g2(W
i
,l
′
)
‑
g2(W
in
,l
′
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)Δg3(j,l
′
)＝g3(W
j
,l
′
)
‑
g3(W
j...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，贾汉博，李玉锋，刘禹彤，倪光华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：