一种制造技术

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种

【技术实现步骤摘要】
一种IRS辅助MISO系统反窃听安全传输波束赋形优化方法、装置及电子设备


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法
、
装置和电子设备
。

技术介绍

[0002]近年来，智能反射面
(Intelligent Reflecting Surface,IRS)
作为一个新的概念，吸引了大批学者的注意
。IRS
由大量低成本
、
几乎无源的反射单元组成，同时配备有一个控制器
。
该控制器可以对每个单元的电容
、
电感
、
电阻等参数进行实时调节，进而实现对
IRS
反射系数的实时调控
。
通过有效的设计反射单元的相移，
IRS
能够实现对入射电磁波的定向反射，以智能地重新配置无线传播环境
。
与传统的通信技术相比，突破了长期以来存在的电磁环境不可控的局限性
。IRS
的出现将大幅降低电磁波的传播能耗
、
扩大通信覆盖范围
、
抵抗干扰噪声，并显著提高频谱利用率
,
得到广泛关注
。
[0003]波束赋形和
IRS
的相位旋转技术对
IRS
十分重要，因为波束赋形可以增强目标方向的信号，同时抑制来自其他方向的噪声和干扰
。
因此，它的优劣直接影响到阵列天线各个方向的增益
、
干扰抑制等性能
。
但是现有的波束赋形技术也存在一些问题，如较高复杂性和能耗
、
频谱效率较低
、
灵活性不高等，不能满足未来生活的需求，不能改善被高大建筑物和障碍物遮挡角落的通信信号，提高通信质量
。
所以如何有效地设计
IRS
辅助通信下的联合波束赋形算法就十分地重要
。
然而，目前大部分
IRS
辅助通信系统研究中仍然有优化算法复杂度高
、
不易实现
、
成本高等问题
。
本专利提出的
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形方案能够提高物理层安全，提高系统保密速率，降低发射功率，有较好的误码率，降低发射端和接收端部署成本
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法
、
装置和电子设备，获取最优发射波束赋形向量，提高系统保密速率，降低发射功率
。
[0005]在第一方面，本专利技术提供了一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法，包括以下步骤：
[0006]S1.
建立
IRS
辅助
MISO
通信反窃听系统；所述系统包括
Alice、IRS、
合法接收用户和非法窃听用户；
[0007]S2.
根据
Alice
发射功率限制和
IRS
反射相移限制，以最小化发射波束赋形向量为目标，构建
Alice
主动波束赋形和
IRS
被动波束赋形的联合优化问题
P
；
[0008]S3.
将联合优化问题
P
分解为发射波束赋形向量优化问题
P1
和
IRS
相移优化问题
P2
，并根据非齐次线性方程组思想求解，得到最优发射波束赋形向量和最优
IRS
相移
。
[0009]进一步的，步骤
S1
建立的
IRS
辅助
MISO
通信反窃听系统中，
Alice
配备
M
根天线，合法接收用户与非法窃听用户均配备单根天线；
IRS
设有
N
个反射单元，且每个反射单元的相
位可控；
[0010]定义
Alice
的发射信号为：
[0011]x
＝
ws
[0012]其中，
s
为
Alice
发给用户的数据，
Alice
采用线性传输预编码作为发射波束赋形向量
[0013]合法接收用户的接收信号为：
[0014][0015]非法窃听用户的接收信号为：
[0016][0017]其中，表示服从均值为0，方差为的高斯噪声，表示服从均值为0，方差为的高斯噪声；表示
IRS
的反射系数矩阵，
θ
n
∈[0,2
π
)
表示
IRS
第
n
＝
1,2,
…
,N
个反射单元的相移，
N
表示
IRS
的反射单元数量；表示
Alice
到
IRS
的信道增益矩阵；
[0018]表示
IRS
到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵；表示
IRS
到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵
。
[0019]进一步的，步骤
S2
中构建
Alice
主动波束赋形和
IRS
被动波束赋形的联合优化问题
P
，表达式为：
[0020][0021]其中，表示
IRS
的反射系数矩阵，
θ
n
∈[0,2
π
)
表示
IRS
第
n
＝
1,2,
…
,N
个反射单元的相移，
N
表示
IRS
的反射单元数量；表示
Alice
的发射波束赋形向量，
M
表示
Alice
配备的天线数量；表示
Alice
到
IRS
的信道增益矩阵；表示
IRS
到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵；表示
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
建立
IRS
辅助
MISO
通信反窃听系统；所述系统包括
Alice、IRS、
合法接收用户和非法窃听用户；
S2.
根据
Alice
发射功率限制和
IRS
反射相移限制，以最小化发射波束赋形向量为目标，构建
Alice
主动波束赋形和
IRS
被动波束赋形的联合优化问题
P
；
S3.
将联合优化问题
P
分解为发射波束赋形向量优化问题
P1
和
IRS
相移优化问题
P2
，并根据非齐次线性方程组思想求解，得到最优发射波束赋形向量和最优
IRS
相移
。2.
根据权利要求1所述的一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法，其特征在于，步骤
S1
建立的
IRS
辅助
MISO
通信反窃听系统中，
Alice
配备
M
根天线，合法接收用户与非法窃听用户均配备单根天线；
IRS
设有
N
个反射单元，且每个反射单元的相位可控；定义
Alice
的发射信号为：
x
＝
ws
其中，
s
为
Alice
发给用户的数据，
Alice
采用线性传输预编码作为发射波束赋形向量合法接收用户的接收信号为：非法窃听用户的接收信号为：其中，表示服从均值为0，方差为的高斯噪声，表示服从均值为0，方差为的高斯噪声；表示
IRS
的反射系数矩阵，
θ
n
∈[0,2
π
)
表示
IRS
第
n
＝
1,2,
…
,N
个反射单元的相移，
N
表示
IRS
的反射单元数量；表示
Alice
到
IRS
的信道增益矩阵；表示
IRS
到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵；表示
IRS
到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵
。3.
根据权利要求1所述的一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法，其特征在于，步骤
S2
中构建
Alice
主动波束赋形和
IRS
被动波束赋形的联合优化问题
P
，表达式为：其中，表示
IRS
的反射系数矩阵，
θ
n
∈[0,2
π
)
表示
IRS
第
n
＝
1,2,
…
,N
个反射单元的相移，
N
表示
IRS
的反射单元数量；表示
Alice
的发射波束赋
形向量，
M
表示
Alice
配备的天线数量；表示
Alice
到
IRS
的信道增益矩阵；表示
IRS
到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到非法窃听用户
Eav
的信道增益矩阵；表示
IRS
到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵，表示
Alice
直接到合法接收用户
Bob
的信道增益矩阵
。4.
根据权利要求3所述的一种
IRS
辅助
MISO
系统反窃听安全传输波束赋形优化方法，其特征在于，假设
IRS
相移矩阵确定，将联合优化问题
P
转化为
Alice
的发射波束赋形向量优化问题
P1
，表示为：其中，
H
E
和
H
B
为已知量，由于
H
E
和
H
B
的秩均为1且不相关，将式
(1)
转换为下列方程：
H1w
＝
b1ꢀꢀꢀꢀ
(2)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云，于东方，鲜永菊，邢智童，吴广富，梁吉申，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：