RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法技术

本发明专利技术请求保护一种RIS辅助的无人机NOMA网络的安全速率优化的方法，该方法考虑合法用户之间公平性和窃听信道的统计CSI条件下，在满足安全中断概率、无人机最大发射功率、SIC解码顺序、RIS相移约束下，实现最大化无人机NOMA网络的最小安全速率。本发明专利技术建立基于RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率模型，首先通过引用辅助变量将安全中断概率约束转化为确定性约束，基于惩罚、逐次凸逼近等方法将非凸优化问题等价转化为凸优化问题，然后使用交替迭代算法，以最大化合法用户之间的最小安全速率。本发明专利技术具有计算复杂度低、信道适应性强的优点，同时考虑了用户公平性，特别适合实际窃听场景下的RIS辅助的无人机NOMA网络。实际窃听场景下的RIS辅助的无人机NOMA网络。实际窃听场景下的RIS辅助的无人机NOMA网络。

【技术实现步骤摘要】
RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法


[0001]本专利技术属于NOMA网络中功率控制领域，具体地，基于合法用户之间公平性的RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率方法。

技术介绍

[0002]随着移动互联网和物联网的快速发展，高频谱效率、大规模连接和安全可靠传输的通信场景需求越来越高。由于高机动性和高成本效益的部署，无人机作为空中通信平台越来越受欢迎，以增强现有无线网络的覆盖范围、容量和能效。特别是，无人机更有可能建立视距链路，从而提高空地通信质量。为了满足未来网络的海量连通性和用户对业务的更高要求，非正交多址接入技术(Non
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Orthogonal Multiple Access，NOMA)具有提高频谱效率和支持大规模连接的优势，被认为是解决这些挑战的有前途的技术之一。NOMA允许多个用户同时使用相同的时频码资源，根据用户信道质量不同分配不同的信号功率，并在接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)进行解码来区分不同信号。与传统的正交多址接入技术相比，NOMA可以传输大量用户的数据，显著提高了频谱效率，更好地平衡了系统的吞吐量和用户的公平性问题。由于复杂的无线环境、网络基础设施的复杂性、无线信道的广播特性使得信息高速率传输的安全性受到严重威胁，因此物理层安全日益成为研究的重点。智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface，RIS)由于其在实现绿色通信和增强物理层安全方面的突出能力，将其引入到无人机NOMA网络中，可以提高合法信号的强度，或在窃听者上进行破坏性抑制干扰，从而减少信息泄漏。
[0003]目前，在无人机网络中资源分配方法中，Xiaowei Pang等人在《IEEE Transactions on Communications,2022,70(2):1140
‑
1152.》上发表了题为“IRS
‑
Assisted Secure UAV Transmission via Joint Trajectory and Beamforming Design”的文章，只考虑了单个合法用户的情况，且窃听者信道为完美信道；Na Tang等人在《IEEE Access,2020,8:159965
‑
159978》上发表了题为“Cognitive NOMA for UAV
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Enabled Secure Communications:Joint 3D Trajectory Design and Power Allocation”的文章，联合优化无人机轨迹和功率分配，以最大限度地提高所有辅助接收机的最坏情况下的平均安全速率；Hui
‑
Ming Wang等人在《IEEE Transactions on Communications,2020,68(9):5732
‑
5746》上发表了题为“UAV Secure Downlink NOMA Transmissions:A Secure Users Oriented Perspective”的文章，将多个合法用户归类为安全要求用户和服务质量要求用户，最大化安全要求用户的最小安全速率。
[0004]由上述成果可知，目前大多数学者研究了在无人机网络中基于安全速率最大化的资源分配中，只考虑窃听者的信道为理想CSI的通信环境中，而在实际窃听场景中，窃听者通常在窃听时保持沉默，很难获取窃听信道的瞬时CSI。所以本专利技术考虑了合法用户之间公平性和窃听信道的统计CSI条件下，研究RIS辅助的无人机NOAM网络的最大化最小安全速率方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法。本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法，其包括以下步骤：
[0007]101、在考虑合法用户公平性和窃听信道的统计CSI条件下，建立RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率模型，并采用安全中断概率作为安全度量；
[0008]102、初始化目标问题的相关参数，无人机位置q，RIS相移矩阵Θ，无人机功率分配P，SIC解码顺序A，最小安全速率判决门限ζ，利用辅助变量将安全中断概率约束转化为确定性约束；
[0009]103、根据给定的无人机功率分配，无人机位置，SIC解码顺序，求解出RIS相移矩阵，并将RIS相移矩阵更新；
[0010]104、根据给定的无人机位置，SIC解码顺序，RIS相移矩阵，求解出无人机功率分配，并将无人机功率分配更新；
[0011]105、根据给定的RIS相移矩阵，无人机功率分配，求解出无人机位置、SIC解码顺序，并将无人机位置、SIC解码顺序更新；
[0012]106、最小安全速率更新收敛判断：若两次的安全速率差值的绝对值不大于安全速率判决门限，则安全速率收敛，给出最大的最小安全速率，方法结束；若两次的安全速率差值的绝对值大于安全速率判决门限，则将此时的安全速率保存，并跳转到步骤103，直到安全速率满足条件，给出最大的最小安全速率。
[0013]进一步的，所述步骤101，在考虑合法用户公平性和窃听信道的统计CSI条件下，建立RIS辅助的无人机NOMA网络的安全速率最大化目标优化问题为
[0014][0015]s.t.C1:
[0016]C2:
[0017]C3:
[0018]C4:
[0019]C5:
[0020]C6:
[0021]式中，C1为无人机最大发射功率约束，p
k
为无人机发送信息给合法用户U
k
的功率，P
max
为无人机的最大发射功率；C2为RIS相移约束，θ
n
为RIS第n个反射元件的相移；C3为安全中断概率约束，R
e,k
为窃听者窃听合法用户U
k
的速率，R
k
为合法用户U
k
的速率，R
s,k
为合法用户U
k
的安全速率，Θ＝diag(θ1,θ2,...θ
N
)为RIS的相移矩阵，P为p
k
的集合，q为无人机的位置，A为α
i,j
的集合，μ
max,k
为关于合法用户U
k
的最大安全中断概率；C4
‑
C6为合法用户SIC解码约束，变量α
i,j
＝1时，表示合法用户U
i
解码合法用户U
j
，w
u,k
为合法用户U
k
的位置；
[0022][0023][0024]式中为合法用户U
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：101、在考虑合法用户公平性和窃听信道的统计CSI条件下，建立RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率模型，并采用安全中断概率作为安全度量；102、初始化目标问题的相关参数，无人机位置q，RIS相移矩阵Θ，无人机功率分配P，SIC解码顺序A，最小安全速率判决门限ζ，利用辅助变量将安全中断概率约束转化为确定性约束；103、根据给定的无人机功率分配，无人机位置，SIC解码顺序，求解出RIS相移矩阵，并将RIS相移矩阵更新；104、根据给定的无人机位置，SIC解码顺序，RIS相移矩阵，求解出无人机功率分配，并将无人机功率分配更新；105、根据给定的RIS相移矩阵，无人机功率分配，求解出无人机位置、SIC解码顺序，并将无人机位置、SIC解码顺序更新；106、最小安全速率更新收敛判断：若两次的安全速率差值的绝对值不大于安全速率判决门限，则安全速率收敛，给出最大的最小安全速率，方法结束；若两次的安全速率差值的绝对值大于安全速率判决门限，则将此时的安全速率保存，并跳转到步骤103，直到安全速率满足条件，给出最大的最小安全速率。2.根据权利要求1所述的RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法，其特征在于，所述步骤101，在考虑合法用户公平性和窃听信道的统计CSI条件下，建立RIS辅助的无人机NOMA网络的安全速率最大化目标优化问题为P1:s.t.C1:C2:C3:C4:C5:C6:式中，C1为无人机最大发射功率约束，p
k
为无人机发送信息给合法用户U
k
的功率，P
max
为无人机的最大发射功率；C2为RIS相移约束，θ
n
为RIS第n个反射元件的相移；C3为安全中断概率约束，R
e,k
为窃听者窃听合法用户U
k
的速率，R
k
为合法用户U
k
的速率，R
s,k
为合法用户U
k
的安全速率，Θ＝diag(θ1,θ2,...θ
N
)为RIS的相移矩阵，P为p
k
的集合，q为无人机的位置，A为α
i,j
的集合，μ
max,k
为关于合法用户U
k
的最大安全中断概率；C4
‑
C6为合法用户SIC解码约束，变量α
i,j
＝1时，表示合法用户U
i
解码合法用户U
j
，w
u,k
为合法用户U
k
的位置；
式中为合法用户U
k
的组合信道，其中h
ak
为无人机到合法用户U
k
的信道，为RIS到合法用户U
k
的信道，G为无人机到RIS的信道；为窃听者的组合信道，h
ae
为无人机到窃听者的信道，g
re
为RIS到窃听者的信道，σ2为合法用户或窃听者的高斯噪声。3.根据权利要求2所述的RIS辅助的无人机NOMA网络的最大化最小安全速率的方法，其特征在于，所述步骤102，初始化无人机位置为q＝[x,y,H]，RIS相移矩阵为Θ，无人机发射功率为P，SIC解码顺序为A，最小安全速率判决门限为ζ，其中，x、y、H分别为无人机的横坐标、纵坐标和飞行高度；将问题P1中约束C3安全中断概率约束转化为确定性约束的具体步骤为：窃听者的组合信道h
e
可重写为式中其中其中为无人机到窃听者链路的大尺度路径损耗因子，为无人机到RIS链路的大尺度路径损耗因子，为RIS到窃听者链路的大尺度路径损耗因子，I为单位矩阵，N为RIS反射元件个数，ρ0表示参考距离1m处的路径损耗，β0表示路径衰落指数，w
e
表示窃听者的位置，r表示RIS的位置；|h
e
|2遵循指数分布，根据|h
e
|2的概率分布函数引入辅助变量z
k
，将安全中断概率约束转换为：所以将目标优化问题P1转换为P2:s.t.C1:C2:C3:C4:
C5:式中，为R
e,k
的分式由安全中断概率约束转化后的下界，其中(ξ
e
(q))2＝N|L
re
L
ar
|2，L
ae
(q)为无人机到窃听者链路的大尺度路径损耗因子，L
ar
(q)为无人机到RIS链路的大尺度路径损耗因子，L
re
(q)为RIS到窃听者...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正强，何鲁娜，青思雨，万晓榆，樊自甫，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：