CN111313951B - 基于非理想csi的irs辅助安全通信无线传输方法 - Google Patents

基于非理想csi的irs辅助安全通信无线传输方法 Download PDF

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CN111313951B CN202010095832.1A CN202010095832A CN111313951B CN 111313951 B CN111313951 B CN 111313951B CN 202010095832 A CN202010095832 A CN 202010095832A CN 111313951 B CN111313951 B CN 111313951B
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Abstract

本发明公开了一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法，该方法实施步骤如下：1）在IRS辅助通信的单小区下行链路通信系统中，单天线合法用户和多天线基站分别发送导频序列到IRS处，IRS估计出用户的CSI；2）为了使发送功率最小化同时满足最糟糕情况下的用户安全速率大于某个阈值，基站和IRS根据得到的非理想CSI，设计波束成形向量和IRS相位转移矩阵，进行信号传输，该方法即保障了用户通信的安全性，又节省了资源，符合绿色通信和安全通信的要求。

Description

基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法
技术领域
本发明涉及一种无线传输方法，具体的说是基于非理想
Figure BDA0002385223600000011
的
Figure BDA0002385223600000012
辅助安全通信无线传输方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着微机电系统和超材料技术的发展，通过可编程表面实时控制反射信号的相移变得可行。这使得一种名为智能反射表面(intelligent reflecting surface，IRS)的新无线设备成为可能，该设备可以灵活地部署在无线网络中，提高整个通信系统的性能。
Figure BDA0002385223600000013
通常由大量低成本的无源反射单元组成，每个单元都能够调节相移来反射入射的无线信号。通过自适应地调整反射单元的相移，
Figure BDA0002385223600000014
反射的信号可以在接收器上与非
Figure BDA0002385223600000015
反射的信号相长或相消地相加，以增强所需信号或抑制不希望的信号，例如干扰。在
Figure BDA0002385223600000016
辅助通信系统中，可以联合设计发射机处的有源发射波束成形和
Figure BDA0002385223600000017
处的无源反射波束成形，以提高性能，例如，最小化发射功率和最大提高能量效率。
与传统的通信方式相比，利用
Figure BDA0002385223600000018
进行通信，具有以下特点：首先，与传统的中继相比，
Figure BDA0002385223600000019
不使用发送器模块，仅将接收到的信号采用无源阵列进行反射，因此不会产生额外的功耗；此外，有源中继通常以半双工模式运行，因此其频谱效率低于以全双工模式运行的
Figure BDA00023852236000000110
(尽管中继也可以全双工工作，但不可避免地会遭受严重的自干扰，这需要复杂的干扰消除技术)；其次，与通过反射从阅读器发送的信号来与接收器进行通信的传统反向散射通信不同，
Figure BDA00023852236000000111
用于增强现有的通信链路性能，而不会通过反射传递其自身的任何信息。这样，就不会引入额外的干扰，在
Figure BDA00023852236000000112
增强的通信中，直通路径信号和反射路径信号都携带相同的有用信息，因此可以在接收器处相干地相加，以使总接收功率最大化。此外，由于
Figure BDA00023852236000000113
的阵列架构(无源)和操作机制(反射)比较特殊，因此它也不同于基于主动智能表面的大规模
Figure BDA00023852236000000213
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非理想
Figure BDA00023852236000000215
的
Figure BDA00023852236000000216
辅助安全通信无线传输方法，以发送功率最小化为目标，同时满足最糟糕情况下的用户安全速率大于某个阈值，基站和
Figure BDA00023852236000000218
根据得到的非理想
Figure BDA00023852236000000217
(Channel State Information)，设计波束成形向量和
Figure BDA00023852236000000219
相位转移矩阵，进行信号传输。
本发明的目的是这样实现的：一种基于非理想
Figure BDA00023852236000000220
的
Figure BDA00023852236000000221
辅助安全通信无线传输方法，该方法适用于
Figure BDA00023852236000000222
辅助的安全通信无线传输系统中，所述系统包括：一个多天线基站，一块多个反射单元的
Figure BDA00023852236000000223
一个单天线合法用户，多个多天线窃听用户，发送端根据非理想的
Figure BDA00023852236000000224
设计出波束成形向量和
Figure BDA00023852236000000225
相位转移矩阵，进行信号的传输，具体步骤如下：
步骤一：在
Figure BDA00023852236000000226
辅助通信的单小区下行链路通信系统中，合法用户和基站分别发送导频序列到
Figure BDA00023852236000000227
处，
Figure BDA00023852236000000228
估计出用户信道状态信息；
步骤二：基站和
Figure BDA00023852236000000229
根据得到的非理想
Figure BDA00023852236000000230
设计波束成形向量和
Figure BDA00023852236000000231
相位转移矩阵，进行信号传输。
作为本发明的进一步限定，在步骤一中，基站和合法用户分别发送导频序列到
Figure BDA00023852236000000232
处，
Figure BDA00023852236000000233
控制器估计出基站和
Figure BDA00023852236000000234
之间的
Figure BDA00023852236000000214
以及
Figure BDA00023852236000000235
和合法用户之间的
Figure BDA00023852236000000236
假设系统中有
Figure BDA0002385223600000028
个窃听用户，然后
Figure BDA00023852236000000238
根据以往与窃听用户的通信记录估计非理想的窃听用户
Figure BDA00023852236000000237
以及估计误差
Figure BDA0002385223600000029
满足：
Figure BDA0002385223600000022
Figure BDA0002385223600000023
其中
Figure BDA00023852236000000210
表示真实的
Figure BDA00023852236000000239
表示
Figure BDA00023852236000000240
中未知的部分。
作为本发明的进一步限定，在步骤二中，设计波束成形向量和相位转移矩阵的具体步骤如下：
步骤2a)初始化
Figure BDA00023852236000000211
其中
Figure BDA0002385223600000025
是一个
Figure BDA00023852236000000212
的对角矩阵，表示
Figure BDA00023852236000000334
的相位转移，
Figure BDA00023852236000000315
是一个
Figure BDA00023852236000000316
的单位矩阵，
Figure BDA00023852236000000317
表示
Figure BDA00023852236000000335
的被动反射单元数；
步骤2b)求解如下凸问题，得到最优解
Figure BDA00023852236000000318
Figure BDA0002385223600000031
其中
Figure BDA00023852236000000319
是相位转移矩阵，
Figure BDA00023852236000000320
是相位转移向量，
Figure BDA00023852236000000321
和
Figure BDA00023852236000000322
是辅助变量，
Figure BDA0002385223600000032
且：
Figure BDA0002385223600000033
其中
Figure BDA00023852236000000323
表示第
Figure BDA00023852236000000324
个窃听用户的天线数，
Figure BDA0002385223600000034
表示将第
Figure BDA00023852236000000325
个窃听用户的信道展开成的列向量，
Figure BDA0002385223600000035
表示克罗内克积，
Figure BDA00023852236000000326
表示设置的安全速率阈值，执行步骤2c)；
步骤2c)将
Figure BDA0002385223600000036
特征值分解，
Figure BDA0002385223600000037
其中
Figure BDA00023852236000000327
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure BDA00023852236000000328
以及其对应的特征向量
Figure BDA00023852236000000331
计算
Figure BDA0002385223600000038
执行步骤2d)；
步骤2d)初始化
Figure BDA00023852236000000329
其中
Figure BDA00023852236000000330
表示
Figure BDA00023852236000000332
对角线元素组成的向量，
Figure BDA00023852236000000311
符号表示求梯度，执行步骤2e)；
步骤2e)求解如下凸优化问题，得到最优解
Figure BDA00023852236000000312
Figure BDA00023852236000000313
其中
Figure BDA00023852236000000333
表示取实部运算符，
Figure BDA0002385223600000041
其中
Figure BDA00023852236000000418
是
Figure BDA0002385223600000043
最大特征值对应的特征向量，执行步骤2f)；
步骤2f)判断
Figure BDA0002385223600000044
是否成立，如不成立，计算
Figure BDA00023852236000000413
重新执行3e)，如成立，将
Figure BDA0002385223600000045
特征值分解，
Figure BDA0002385223600000046
其中
Figure BDA00023852236000000414
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure BDA00023852236000000415
以及其对应的特征向量
Figure BDA00023852236000000419
计算
Figure BDA0002385223600000047
Figure BDA0002385223600000048
则执行2g)；
步骤2g)判断
Figure BDA0002385223600000049
是否成立，如果成立，算法结束，利用优化的波束成形向量
Figure BDA00023852236000000410
和相位转移矩阵
Figure BDA00023852236000000411
进行信号传输；如果不成立，计算
Figure BDA00023852236000000417
重新执行步骤2b)。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本方法采用智能反射面辅助通信，并利用交替优化方法得到最优的相位转移矩阵和波束向量，系统实现复杂度和能量消耗都较低。此外，本方法的设计仅利用非理想的
Figure BDA00023852236000000423
更贴近实际通信场景。
(2)本方法基于最坏情况进行设计，即将最坏情况下的最低用户安全速率大于速率阙值作为限制条件，由此设计出的波束和相位转移更加可靠，有效保证用户安全通信的最低需求。
附图说明
图1为
Figure BDA00023852236000000420
辅助安全通信系统的示意图。
图2为本发明实施例提供的基于非理想
Figure BDA00023852236000000421
的
Figure BDA00023852236000000422
辅助安全通信无线传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，
Figure BDA00023852236000000528
辅助安全通信系统包括：一个多天线基站，一块
Figure BDA00023852236000000529
一个单天线合法用户，多个多天线窃听用户。
如图2所示，基于非理想
Figure BDA00023852236000000530
的
Figure BDA00023852236000000531
辅助安全通信无线传输方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：基站和合法用户分别发送导频序列到
Figure BDA00023852236000000533
处，
Figure BDA00023852236000000532
控制器估计出基站和
Figure BDA00023852236000000536
之间的
Figure BDA00023852236000000537
以及
Figure BDA00023852236000000535
和合法用户之间的
Figure BDA00023852236000000534
假设系统中有
Figure BDA00023852236000000527
个窃听用户，然后
Figure BDA00023852236000000538
根据以往与窃听用户的通信记录估计非理想的窃听用户
Figure BDA00023852236000000539
以及估计误差
Figure BDA00023852236000000512
满足：
Figure BDA0002385223600000052
Figure BDA0002385223600000053
其中
Figure BDA00023852236000000513
表示真实的
Figure BDA00023852236000000540
表示
Figure BDA00023852236000000541
中未知的部分。
步骤102：根据非理想的
Figure BDA00023852236000000542
设计波束成形向量和相位转移矩阵，具体步骤如下：
步骤201)、初始化
Figure BDA00023852236000000514
其中
Figure BDA0002385223600000055
是一个
Figure BDA00023852236000000515
的对角矩阵，表示
Figure BDA00023852236000000544
的相位转移，
Figure BDA00023852236000000516
是一个
Figure BDA00023852236000000517
的单位矩阵，
Figure BDA00023852236000000518
表示
Figure BDA00023852236000000543
的被动反射单元数。
步骤202)、求解如下凸问题，得到最优解
Figure BDA00023852236000000519
Figure BDA0002385223600000056
其中
Figure BDA00023852236000000520
是相位转移矩阵，
Figure BDA00023852236000000521
是相位转移向量。
Figure BDA00023852236000000522
和
Figure BDA00023852236000000523
是辅助变量，
Figure BDA0002385223600000057
且：
Figure BDA0002385223600000058
其中
Figure BDA00023852236000000525
表示第
Figure BDA00023852236000000524
个窃听用户的天线数，
Figure BDA0002385223600000059
表示将第
Figure BDA00023852236000000526
个窃听用户的信道展开成的列向量，
Figure BDA0002385223600000061
表示克罗内克积，
Figure BDA00023852236000000622
表示设置的安全速率阈值；执行步骤203)。
步骤203)、将
Figure BDA0002385223600000062
特征值分解，
Figure BDA0002385223600000063
其中
Figure BDA00023852236000000635
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure BDA00023852236000000623
以及其对应的特征向量
Figure BDA00023852236000000624
计算
Figure BDA0002385223600000064
执行步骤204)。
步骤204)、初始化
Figure BDA00023852236000000625
其中
Figure BDA00023852236000000626
表示
Figure BDA00023852236000000627
对角线元素组成的向量，
Figure BDA0002385223600000067
符号表示求梯度；执行步骤205)。
步骤205)、求解如下凸优化问题，得到最优解
Figure BDA0002385223600000068
Figure BDA0002385223600000069
其中
Figure BDA00023852236000000628
表示取实部运算符，
Figure BDA00023852236000000611
其中
Figure BDA00023852236000000629
是
Figure BDA00023852236000000613
最大特征值对应的特征向量；执行步骤206)。
步骤206)、判断
Figure BDA00023852236000000614
是否成立，如不成立，计算
Figure BDA00023852236000000630
重新执行205)，如成立，将
Figure BDA00023852236000000615
特征值分解，
Figure BDA00023852236000000616
其中
Figure BDA00023852236000000631
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure BDA00023852236000000633
以及其对应的特征向量
Figure BDA00023852236000000632
计算
Figure BDA00023852236000000617
Figure BDA00023852236000000618
则执行207)。
步骤207)、判断
Figure BDA00023852236000000619
是否成立，如果成立，算法结束，利用优化的波束成形向量
Figure BDA00023852236000000620
和相位转移矩阵
Figure BDA00023852236000000621
进行信号传输；如果不成立，计算
Figure BDA00023852236000000634
重新执行步骤202)。
上述方法采用智能反射面辅助通信，利用交替优化方法得到最优的相位转移矩阵和波束向量，只需迭代几次，就能收敛，因此，系统实现复杂度和能量消耗都较低。由于本方法将最坏情况下的最低用户安全速率大于速率阙值作为限制条件，有效保证用户安全通信的最低需求，提高了本方法的可靠性。此外，本方法的设计仅利用非理想的
Figure BDA0002385223600000071
使得本方法具有很强的鲁棒性和现实可行性，能应用于实际通信场景。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于非理想
Figure FDA00033079208700000114
的
Figure FDA00033079208700000115
辅助安全通信无线传输方法，其特征在于：该方法适用于
Figure FDA00033079208700000116
辅助的安全通信无线传输系统中，所述系统包括：一个多天线基站，一块多个反射单元的
Figure FDA00033079208700000117
，一个单天线合法用户，多个多天线窃听用户，发送端根据非理想的
Figure FDA00033079208700000118
设计出波束成形向量和
Figure FDA00033079208700000119
相位转移矩阵，进行信号的传输，具体步骤如下：
步骤一：在
Figure FDA00033079208700000120
辅助通信的单小区下行链路通信系统中，合法用户和基站分别发送导频序列到
Figure FDA00033079208700000121
处，
Figure FDA00033079208700000122
估计出用户信道状态信息；
步骤二：基站和
Figure FDA00033079208700000123
根据得到的非理想
Figure FDA00033079208700000124
，设计波束成形向量和
Figure FDA00033079208700000125
相位转移矩阵，进行信号传输；设计波束成形向量和相位转移矩阵的具体步骤如下：
步骤2a)初始化
Figure FDA00033079208700000126
其中
Figure FDA0003307920870000011
是一个
Figure FDA00033079208700000127
的对角矩阵，表示
Figure FDA00033079208700000128
的相位转移，
Figure FDA00033079208700000129
是一个
Figure FDA00033079208700000130
的单位矩阵，
Figure FDA00033079208700000131
表示
Figure FDA00033079208700000132
的被动反射单元数；
步骤2b)求解如下凸问题，得到最优解
Figure FDA00033079208700000133
：
Figure FDA0003307920870000012
Figure FDA00033079208700000134
Figure FDA00033079208700000135
Figure FDA00033079208700000136
Figure FDA00033079208700000137
其中
Figure FDA00033079208700000138
是波束成形矩阵，
Figure FDA00033079208700000139
是波束成形向量，
Figure FDA00033079208700000140
和
Figure FDA00033079208700000141
是辅助变量，
Figure FDA0003307920870000013
Figure FDA00033079208700000142
是基站和
Figure FDA00033079208700000143
之间的
Figure FDA00033079208700000144
是
Figure FDA00033079208700000145
和合法用户之间的
Figure FDA00033079208700000146
，且：
Figure FDA0003307920870000014
其中
Figure FDA00033079208700000147
表示第
Figure FDA00033079208700000148
个窃听用户的天线数，
Figure FDA0003307920870000015
表示将第
Figure FDA00033079208700000149
个窃听用户的信道展开成的列向量，
Figure FDA0003307920870000016
Figure FDA0003307920870000017
表示克罗内克积，
Figure FDA00033079208700000150
表示设置的安全速率阈值，执行步骤2c)；
步骤2c)将
Figure FDA0003307920870000018
特征值分解，
Figure FDA0003307920870000019
其中
Figure FDA00033079208700000151
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure FDA00033079208700000152
以及其对应的特征向量
Figure FDA00033079208700000153
，计算
Figure FDA00033079208700000110
执行步骤2d)；
步骤2d)初始化
Figure FDA00033079208700000111
Figure FDA00033079208700000154
其中
Figure FDA00033079208700000155
Figure FDA00033079208700000112
表示
Figure FDA00033079208700000156
对角线元素组成的向量，
Figure FDA00033079208700000113
符号表示求梯度，执行步骤2e)；
步骤2e)求解如下凸优化问题，得到最优解
Figure FDA0003307920870000021
Figure FDA0003307920870000022
Figure FDA00033079208700000218
Figure FDA00033079208700000219
Figure FDA00033079208700000220
Figure FDA00033079208700000221
Figure FDA00033079208700000222
其中
Figure FDA00033079208700000223
Figure FDA0003307920870000023
Figure FDA00033079208700000224
表示取实部运算符，
Figure FDA0003307920870000024
其中
Figure FDA0003307920870000025
Figure FDA00033079208700000225
是
Figure FDA0003307920870000026
最大特征值对应的特征向量，执行步骤2f)；
步骤2f)判断
Figure FDA0003307920870000027
是否成立，如不成立，计算
Figure FDA00033079208700000226
重新执行2e)，如成立，将
Figure FDA0003307920870000028
特征值分解，
Figure FDA0003307920870000029
其中
Figure FDA00033079208700000227
是一个对角矩阵，找到其对角线非零元素
Figure FDA00033079208700000228
以及其对应的特征向量
Figure FDA00033079208700000229
，计算
Figure FDA00033079208700000210
则执行2g)；
步骤2g)判断
Figure FDA00033079208700000211
是否成立，如果成立，算法结束，利用优化的波束成形向量
Figure FDA00033079208700000212
和相位转移矩阵
Figure FDA00033079208700000213
进行信号传输；如果不成立，计算
Figure FDA00033079208700000245
重新执行步骤2b)。
2.根据权利要求1所述一种基于非理想
Figure FDA00033079208700000230
的
Figure FDA00033079208700000231
辅助安全通信无线传输方法，其特征在于，在步骤一中，基站和合法用户分别发送导频序列到
Figure FDA00033079208700000232
处，
Figure FDA00033079208700000233
控制器估计出基站和
Figure FDA00033079208700000234
之间的
Figure FDA00033079208700000235
以及
Figure FDA00033079208700000236
和合法用户之间的
Figure FDA00033079208700000237
假设系统中有
Figure FDA00033079208700000238
个窃听用户，然后
Figure FDA00033079208700000239
根据以往与窃听用户的通信记录估计非理想的窃听用户
Figure FDA00033079208700000240
以及估计误差
Figure FDA00033079208700000241
满足：
Figure FDA00033079208700000215
Figure FDA00033079208700000216
其中
Figure FDA00033079208700000242
表示真实的
Figure FDA00033079208700000243
，
Figure FDA00033079208700000217
表示
Figure FDA00033079208700000244
中未知的部分。
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