CN112969225B - 利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，在RIS辅助大规模多输入多输出无线安全通信系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵；重复以上操作直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；最后，计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。本发明可以在仅知合法用户统计CSI、未知窃听者CSI的前提下，能有效降低系统开销，应用于实际通信场景中，且能有效避免人工噪声对合法用户的干扰，保证合法用户的通信质量，提高系统的安全速率。

Description

利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种利用合法用户统计CSI(ChannelState Information，信道状态信息)的RIS(Reconfigurable Intelligent Surface，可重构智能反射面)辅助无线安全通信传输方法。

背景技术

随着第五代(The 5th Generation Mobile Networks,5G)无线通信网络开始商用，第六代(The 6th Generation Mobile Networks,6G)无线通信网络的研发逐渐引起大家浓厚的兴趣。6G预计将提供全球覆盖、增强的频谱/能源/成本效率、更好的智能水平和安全性等。一方面，受限于位置因素，很多物联网设备与基站之间的通信链路由于障碍物的阻挡变得不可靠，这对于在6G时代实现物联网万物互联是一大阻碍。另一方面，由于无线媒体的广播性质，无线通信容易被窃听。为了解决上述难题，人们分析了在6G物联网中使用可重构智能反射面RIS这一新技术以增加用户信号在基站端强度的可能性。

与传统的通信方式相比，RIS辅助的通信系统有以下优势：首先，传统反射面的相移是固定的，不能改变，而RIS可以通过其小型控制器连续改变相移。其次，RIS的复杂度较低，安装也很方便，可以很容易地部署在建筑物、天花板或室内空间，并且它不受接收机噪声的影响，因为它没有配备任何信号处理设备，如模数、数模转换器以及调制器或解调器。第三，RIS是一种特殊的“中继”，它只被动地反射信号，不对入射信号造成改变，没有任何发射功率消耗，而传统的中继需要一定的功率来传输信号。这些显著的优势使RIS成为超5G甚至6G的绿色节能技术，并可应用于各种通信场景，如多小区、大规模设备到设备、无线信息和功率传输以及安全通信。

本发明提出了一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，其难点在于发送信号协方差矩阵、RIS相移矩阵、用户发送功率以及人工噪声的协方差矩阵的设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，在满足总发射功率约束以及合法用户服务质量约束的前提下，以系统安全速率最大化为目标，利用统计CSI设计发送信号协方差矩阵、合法用户发送功率、RIS相移矩阵和人工噪声的协方差矩阵，使系统安全速率最大。

发明内容：本发明提出一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，具体包括以下步骤：

(1)构建适用于窃听者CSI未知的RIS辅助无线安全通信传输系统；所述系统包括一个有M根天线的基站、一个有N根天线的合法用户、一个有E根天线的窃听者、一个集成L个低功耗反射单元的RIS；

(2)在RIS辅助无线安全通信传输系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；

(3)根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；

(5)根据合法用户发送功率计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。

进一步地，步骤(1)所述系统：

基站与合法用户以及窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，基站与合法用户以及窃听者之间分别只存在一条经过RIS的反射路径，基站到RIS、RIS到合法用户的信道分别为：

其中，R₀、R₁表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，X₀、X₁由信道的随机成分组成，R₀，R₁，T₀，T₁，

分别是L×L，N×N，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI；X₀，X₁分别是L×M，N×L的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；

表示矩阵的平方根；发送信号s是M×1的列向量，发送信号协方差矩阵Q＝E{ss^H}；RIS相移矩阵Φ＝diag([q₁,q₂,…,q_L]^T)是L×L的对角矩阵，

是相移系数，θ_i∈[0，2π)表示RIS对信号的调整角度。

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)给定初始RIS相移矩阵Φ＝I_L，其中，I_L是L×L的单位矩阵；设计发送信号协方差矩阵：

其中，F和Λ_Q是辅助变量，表达式如下：

其中，U_F和Λ_F是通过对F进行特征值分解

得到的辅助变量，max{a，b}表示取a和b中较大的数，μ是使Q^*满足tr(Q^*)≤MP_T的参数，tr(.)表示矩阵的迹，P_T是基站的总发送功率，I_M是M×M的单位矩阵，

是基于系统统计CSI的等效信道参数，具体表达式如下：

其中，Θ，Ξ，Ψ，Π，Γ都是辅助变量，具体表达式如下：

Θ＝I_L+e₁ΨR₀，

Ξ＝σ²I_N+e₂R₁，

(22)令Q＝Q^*，更新等效信道参数

(23)重复步骤(21)、(22)直到合法用户可达速率

收敛，得到最优发送信号协方差矩阵Q_opt＝Q^*；

(24)设定功率上限P₊，功率下限P_-，取两者中值

计算合法用户可达速率

并与通信速率需求γ比较，如果

那么P₊＝P_mid，否则P_-＝P_mid，直到

时，得到最小的合法用户发送功率P_min＝P_mid。

进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)计算系统速率对RIS相移矩阵的梯度方向向量

其中，

是

关于θ_i的导数；

(32)取步长α＝0.1；

(33)RIS相移矩阵

其中θ是由Φ对角元素组成的列向量，diag(.)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，arg(.)表示括号中元素的辐角；

(34)令Φ＝Φ^*，更新等效信道参数

(35)重复步骤(31)至(34)直到合法用户可达速率

收敛，得到最优RIS相移矩阵Φ^opt＝Φ^*。

进一步地，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)根据最小的合法用户发送功率P_min计算剩余功率P_r＝P_T-P_min；

(52)人工噪声的协方差矩阵

其中，B₁为合法用户的统计CSI表达式，U_AN的列是B₁的零特征值对应的所有M-rank(B₁)个特征向量，rank(.)表示矩阵的秩，B₁的具体表达式如下：

其中，R₀表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，R₀，T₀，T₁，

分别是L×L，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI，tr(.)表示矩阵的迹。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明提出仅利用信道的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵、合法用户发送功率、RIS相移矩阵和人工噪声的协方差矩阵；相比于瞬时CSI，统计CSI更易获得且更贴合实际，能有效降低系统开销，应用于实际通信场景中；2、本发明将人工噪声方向设置为与合法用户信道正交，可以有效避免人工噪声对合法用户的干扰，保证合法用户的通信质量，提高系统的安全速率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为RIS辅助无线安全通信传输系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。

本发明提出一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，在满足总发射功率约束以及合法用户服务质量约束的前提下，以系统安全速率最大化为目标，利用统计CSI设计发送信号协方差矩阵、合法用户发送功率、RIS相移矩阵和人工噪声的协方差矩阵，使系统安全速率最大。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：构建适用于窃听者CSI未知的RIS辅助无线安全通信传输系统，包括一个有M根天线的基站、一个有N根天线的合法用户、一个有E根天线的窃听者、一个集成L个低功耗反射单元的RIS。

基站与合法用户以及窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，基站与合法用户以及窃听者之间分别只存在一条经过RIS的反射路径，基站到RIS、RIS到合法用户的信道分别为：

其中，F₀、R₁表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，X₀、X₁由信道的随机成分组成，R₀，R₁，T₀，T₁，

分别是L×L，N×N，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI；X₀，X₁分别是L×M，N×L的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；

表示矩阵的平方根；发送信号s是M×1的列向量，发送信号协方差矩阵Q＝E{ss^H}；RIS相移矩阵Φ＝diag([q₁,q₂,…,q_L]^T)是L×L的对角矩阵，

是相移系数，θ_i∈[0，2π)表示RIS对信号的调整角度。

步骤2：在RIS辅助无线安全通信传输系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求。

步骤2.1：给定初始RIS相移矩阵Φ＝I_L，其中，I_L是L×L的单位矩阵。

步骤2.2：设计发送信号协方差矩阵：

其中，F和Λ_Q是辅助变量，表达式如下：

其中，U_F和Λ_F是通过对F进行特征值分解

得到的辅助变量，max{a，b}表示取a和b中较大的数，μ是使Q^*满足tr(Q^*)≤MP_T的参数，tr(.)表示矩阵的迹，P_T是基站的总发送功率，I_M是M×M的单位矩阵，

是基于系统统计CSI的等效信道参数，具体表达式如下：

其中，Θ，Ξ，Ψ，Π，Γ都是辅助变量，具体表达式如下：

Θ＝I_L+e₁ΨR₀，

Ξ＝σ²I_N+e₂R₁，

步骤2.3：令Q＝Q^*，更新等效信道参数

与Q^*直到用户可达速率

收敛，得到最优发送信号协方差矩阵Q_opt＝Q^*。

步骤2.4：设定功率上限P₊，功率下限P_-，取两者中值

计算合法用户可达速率

并与通信速率需求γ比较，如果

那么P₊＝P_mid，否则P_-＝P_mid，直到

时，得到最小的合法用户发送功率P_min＝P_mid。

步骤3：根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵。

步骤3.1：计算系统速率对RIS相移矩阵的梯度方向向量

其中，

是

关于θ_i的导数；

步骤3.2：取步长α＝0.1；

步骤3.3：RIS相移矩阵

其中θ是由Φ对角元素组成的列向量，diag(.)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，arg(.)表示括号中元素的辐角；

步骤3.4：令Φ＝Φ^*，更新等效信道参数

步骤3.5：重复步骤3.1至3.4直到合法用户可达速率

收敛，得到最优RIS相移矩阵Φ^opt＝Φ^*。

步骤4：重复步骤2和3，直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率P_min。

步骤5：根据合法用户发送功率计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。

根据最小的合法用户发送功率P_min计算剩余功率P_r＝P_T-P_min。设计人工噪声的协方差矩阵：

其中，B₁为合法用户的统计CSI表达式，U_AN的列是B₁的零特征值对应的所有M-rank(B₁)个特征向量，rank(.)表示矩阵的秩。B₁的具体表达式如下：

其中，R₀表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，R₀，T₀，T₁，

分别是L×L，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI，tr(.)表示矩阵的迹。

综上所述，本发明提出仅利用信道的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵、合法用户发送功率、RIS相移矩阵和人工噪声的协方差矩阵；相比于瞬时CSI，统计CSI更易获得且更贴合实际，能有效降低系统开销，应用于实际通信场景中。并且，本发明将人工噪声方向设置为与合法用户信道正交，可以有效避免人工噪声对合法用户的干扰，保证合法用户的通信质量，提高系统的安全速率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内，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 (1)

1.一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建适用于窃听者CSI未知的RIS辅助无线安全通信传输系统；所述系统包括一个有M根天线的基站、一个有N根天线的合法用户、一个有E根天线的窃听者、一个集成L个低功耗反射单元的RIS；基站与合法用户以及窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，基站与合法用户以及窃听者之间分别只存在一条经过RIS的反射路径，基站到RIS、RIS到合法用户的信道分别为：

其中，R₀、R₁表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，X₀、X₁由信道的随机成分组成，R₀，R₁，T₀，T₁，

分别是L×L，N×N，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI；X₀，X₁分别是L×M，N×L的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；

表示矩阵的平方根；发送信号s是M×1的列向量，发送信号协方差矩阵Q＝E{ss^H}；RIS相移矩阵Φ＝diag([q₁，q₂，...，q_L]^T)是L×L的对角矩阵，

是相移系数，θ_i∈[0，2π)表示RIS对信号的调整角度；

(2)在RIS辅助无线安全通信传输系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；

(3)根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；

(5)根据合法用户发送功率计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵；所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)给定初始RIS相移矩阵Φ＝I_L，其中，I_L是L×L的单位矩阵；设计发送信号协方差矩阵：

其中，F和A_Q是辅助变量，表达式如下：

其中，U_F和A_F是通过对F进行特征值分解

得到的辅助变量，max{a，b}表示取a和b中较大的数，μ是使Q^*满足tr(Q^*)≤MP_T的参数，tr(.)表示矩阵的迹，P_T是基站的总发送功率，I_M是M×M的单位矩阵，

是基于系统统计CSI的等效信道参数，具体表达式如下：

其中，Θ，Ξ，Ψ，Π，Γ都是辅助变量，具体表达式如下：

Θ＝I_L+e₁ΨR₀，

Ξ＝σ²I_N+e₂R₁，

(22)令Q＝Q^*，更新等效信道参数

(23)重复步骤(21)、(22)直到合法用户可达速率

收敛，得到最优发送信号协方差矩阵Q_opt＝Q^*；

(24)设定功率上限P₊，功率下限P_-，取两者中值

计算合法用户可达速率

并与通信速率需求γ比较，如果

那么P₊＝P_mid，否则P_-＝P_mid，直到

时，得到最小的合法用户发送功率P_min＝P_mid；

所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)计算系统速率对RIS相移矩阵的梯度方向向量

其中，

是

关于θ_i的导数；

(32)取步长α＝0.1；

(33)RIS相移矩阵

其中θ是由Φ对角元素组成的列向量，diag(.)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，arg(.)表示括号中元素的辐角；

(34)令Φ＝Φ^*，更新等效信道参数

(35)重复步骤(31)至(34)直到合法用户可达速率

收敛，得到最优RIS相移矩阵Φ^opt＝Φ^*；

所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)根据最小的合法用户发送功率P_min计算剩余功率P_r＝P_T-P_min；

(52)人工噪声的协方差矩阵：

其中，B₁为合法用户的统计CSI表达式，U_AN的列是B₁的零特征值对应的所有M-rank(B₁)个特征向量，rank(.)表示矩阵的秩，B₁的具体表达式如下：

其中，R₀表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，

表示信道的确定性视距分量，R₀，T₀，T₁，

分别是L×L，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI，tr(.)表示矩阵的迹。

Images