CN113271597B - 可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法 - Google Patents

可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法 Download PDF

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CN113271597B CN202110406051.4A CN202110406051A CN113271597B CN 113271597 B CN113271597 B CN 113271597B CN 202110406051 A CN202110406051 A CN 202110406051A CN 113271597 B CN113271597 B CN 113271597B
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Abstract

本发明提出一种可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，解决了可重构智能表面结合非正交多址接入应用时的通信安全性的问题，首先建立由基站、窃听者、RIS及用户组成的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统，以RIS与非正交多址接入结合，提高通信性能为出发点，考虑基站附近存在窃听者时通信安全性的问题，建立以所有用户通信保密率的和最大作为目标函数，考虑每个用户传输速率、每个用户发射的功率及RIS的反射相移矩阵的约束，然后进行优化求解，得所有用户通信保密率的和的最大值，提高了系统的保密率，增强了通信安全。

Description

可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统的技术领域，更具体地，涉及一种可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法。
背景技术
近年来，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，RIS)被人们认为是一种很有前途的新技术，它通过软件控制反射信号来重构无线传播环境。RIS是由大量低成本无源发射元件组成的平面，每个元件能够独立地改变入射信号的相位，从而协同实现被动反射波束形成，并且RIS还可以改善由于大型建筑物阻挡或者通信死角用户的通信环境。非正交多址接入(non-orthogonalmultiple access，NOMA)利用功率复用技术为具有相同时频资源块的多个用户提供服务，提高了频谱效率，RIS与NOMA技术结合起来，将可以进一步提高通信性能。
如：2021年3月26日，中国发明专利(CN112564755A)中公开了一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，该方案将智能超表面应用于多天线非正交多址接入系统，利用智能超表面改变用户信道的特性，使得多天线非正交多址接入方案有更大可能性达到最优通信性能，而且通过建立并求解波束成型优化设计模型，获得用户最小速率约束下每个用户的最优波束向量以及智能超表面的相移阵设计，该方案虽然提高了通信性能，但是伴随而来的通信安全性问题也逐渐出现，因为该方案考虑的是智能超表面应用于多天线非正交多址接入系统的标准理想情况，若用户与基站之间存在障碍物，不能直接通信，并且若基站附近存在窃听者，则通信安全性将受到巨大考验。
发明内容
为解决可重构智能表面结合非正交多址接入系统应用时的通信安全性的问题，本发明提供一种可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，提高系统的通信保密率，增强通信安全性。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，至少包括：
S1.建立由基站、窃听者、RIS及K个用户组成的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统；
S2.定义用户k到RIS之间的信道表示、RIS到基站之间的信道表示、RIS和窃听者之间的信道表示、RIS的反射相移矩阵表示，k为用户的序号；
S3.基站解码用户k的信息，计算用户k处的信干噪比；
S4.基于用户k的信干噪比，计算用户k处的可达速率；
S5.计算窃听者窃听用户k的窃听率，并结合用户k处的可达速率，确认用户k至基站的安全速率；
S6.根据用户k至基站的安全速率得出K个用户通信保密率的和，以K个用户通信保密率的和最大作为目标函数，考虑每个用户传输速率、每个用户发射的功率及RIS的反射相移矩阵的约束，进行优化求解，得到K个用户通信保密率的和的最大值。
优选地，基站、窃听者和K个用户均配备单个天线，设RIS包括N个反射元件，用户k到RIS之间的信道为
Figure BDA0003022323750000021
RIS到基站之间的信道为
Figure BDA0003022323750000022
RIS和窃听者之间的信道表示为
Figure BDA0003022323750000023
其中，
Figure BDA0003022323750000024
表示复值矩阵，
Figure BDA0003022323750000025
的指数表示复值矩阵的维度，RIS的反射相移矩阵表示为Φ＝diag(φ1,...,φN)，其中，
Figure BDA0003022323750000026
θn∈[0,2π)，βn∈[0,1]，考虑RIS所有反射元件的有效相移，满足|φn|＝1，n∈{1,L,N}，且所述信道的信道状态信息已知，RIS的反射元件越多，可重构智能表面辅助非正交多址接入系统的通信保密率越高。
优选地，步骤S3之前还包括基站处接收叠加信号以及窃听者处接收叠加信号的过程，基站处接收到的叠加新号表示为：
Figure BDA0003022323750000027
窃听者处接收到的叠加信号表示为：
Figure BDA0003022323750000028
其中，sk为单位功率，表示来自用户k的信号；Pk表示用户k的发射功率；nB和ne分别表示基站处和窃听者处均值为0，方差分别为σ2和
Figure BDA0003022323750000029
的加性白噪声。
优选地，步骤S3中，基站利用连续干扰消除的方式解码用户k的信息，设K个用户的解码顺序为：
Figure BDA0003022323750000031
具体过程为：基站首先对信道质量最好的用户进行解码，最好的信道质量表示为
Figure BDA0003022323750000032
然后基站从接收到的叠加信号中移出该信息，接着基站对信道质量次优的用户进行解码，以此类推，直至解码出所有信号。
优选地，步骤S3中用户k处的信干噪比的计算表达式为：
Figure BDA0003022323750000033
其中，γk表示用户k处的信干噪比。
优选地，当k＝K时，
Figure BDA0003022323750000034
步骤S4中所述基于用户k的信干噪比计算用户k处的可达速率的表达式为：
Figure BDA0003022323750000035
其中，Rk表示用户k处的可达速率。
优选地，设窃听者能消除非正交多址接入保密协议中用户间的干扰，则步骤S5所述计算窃听者窃听用户k的窃听率的表达式为：
Figure BDA0003022323750000036
其中，Re,k表示窃听者窃听用户k的窃听率，结合用户k处的可达速率，得到用户k至基站的安全速率表达式：
Rsec,k＝[Rk-Re,k]+
其中，Rsec,k表示用户k至基站的安全速率。
优选地，步骤S6中，K个用户通信保密率的和的表达式为：
Figure BDA0003022323750000041
优选地，步骤S6中所述目标函数为：
Figure BDA0003022323750000042
考虑每个用户传输速率的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000043
考虑每个用户发射的功率的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000044
考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000045
其中，
Figure BDA0003022323750000046
表示用户k的最小传输速率；
Figure BDA0003022323750000047
表示用户k发射功率的最大阈值。
优选地，所述目标函数为非凸目标函数，而且考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件为非凸约束条件，所述优化求解方法为交替优化法，交替优化的对象为用户k的发射功率Pk和RIS的反射相移矩阵Φ。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，首先建立由基站、窃听者、RIS及用户组成的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统，以RIS与非正交多址接入结合，提高通信性能为出发点，考虑基站附近存在窃听者时通信安全性的问题，建立以所有用户通信保密率的和最大作为目标函数，考虑每个用户传输速率、每个用户发射的功率及RIS的反射相移矩阵的约束，然后进行优化求解，得所有用户通信保密率的和的最大值，提高了系统的保密率，增强了通信安全。
附图说明
图1表示本发明实施例中提出的可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法的流程示意图；
图2表示本发明实施例中提出的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统的示意图；
图3表示本发明实施例中提出的用户发射的不同功率对可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率的影响曲线图；
图4表示本发明实施例中提出的RIS反射元件的数量对可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率的影响曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；实施例
如图1所示的可重构智能表面辅助非正交多址接入的安全通信优化方法的流程示意图，参见图去，所述方法的步骤为：
S1.建立由基站、窃听者、RIS及K个用户组成的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统；具体的，参见图2，基站、窃听者和K个用户均配备单个天线，设RIS包括N个反射元件，所述系统所处的环境中还存在一个大型建筑物，由于大型建筑物的阻碍，用户和基站之间直接通信的链路被阻挡，依靠RIS来进行辅助通信，RIS的反射元件越多，可重构智能表面辅助非正交多址接入系统的通信保密率越高，因此可适当的提高RIS的反射元件的数量。
S2.定义用户k到RIS之间的信道表示、RIS到基站之间的信道表示、RIS和窃听者之间的信道表示、RIS的反射相移矩阵表示，k为用户的序号；
在本实施例中，用户k到RIS之间的信道为
Figure BDA0003022323750000051
RIS到基站之间的信道为
Figure BDA0003022323750000052
RIS和窃听者之间的信道表示为
Figure BDA0003022323750000053
其中，
Figure BDA0003022323750000054
表示复值矩阵，
Figure BDA0003022323750000055
的指数表示复值矩阵的维度，RIS的反射相移矩阵表示为Φ＝diag(φ1,...,φN)，其中，
Figure BDA0003022323750000056
θn∈[0,2π)，βn∈[0,1]，考虑RIS所有反射元件的有效相移，满足|φn|＝1，n∈{1,L,N}，且所述信道的信道状态信息已知，因此，基站处接收叠加信号以及窃听者处接收叠加信号的过程，基站处接收到的叠加新号表示为：
Figure BDA0003022323750000061
窃听者处接收到的叠加信号表示为：
Figure BDA0003022323750000062
其中，sk为单位功率，表示来自用户k的信号；Pk表示用户k的发射功率；nB和ne分别表示基站处和窃听者处均值为0，方差分别为σ2和
Figure BDA0003022323750000063
的加性白噪声。
S3.基站解码用户k的信息，计算用户k处的信干噪比；基站利用连续干扰消除的方式解码用户k的信息，设K个用户的解码顺序为：
Figure BDA0003022323750000064
具体过程为：基站首先对信道质量最好的用户进行解码，最好的信道质量表示为
Figure BDA0003022323750000065
然后基站从接收到的叠加信号中移出该信息，接着基站对信道质量次优的用户进行解码，以此类推，直至解码出所有信号；
用户k处的信干噪比的计算表达式为：
Figure BDA0003022323750000066
其中，γk表示用户k处的信干噪比。
S4.基于用户k的信干噪比，计算用户k处的可达速率；基于用户k的信干噪比计算用户k处的可达速率的表达式为：
Figure BDA0003022323750000067
其中，Rk表示用户k处的可达速率。
S5.计算窃听者窃听用户k的窃听率，并结合用户k处的可达速率，确认用户k至基站的安全速率；
在本实施例中，设窃听者能消除非正交多址接入保密协议中用户间的干扰，也是假设一种最坏的情况，窃听者具有很强的多用户检测能力，则步骤S5所述计算窃听者窃听用户k的窃听率的表达式为：
Figure BDA0003022323750000071
其中，Re,k表示窃听者窃听用户k的窃听率，结合用户k处的可达速率，得到用户k至基站的安全速率表达式：
Rsec,k＝[Rk-Re,k]+
其中，Rsec,k表示用户k至基站的安全速率。
S6.根据用户k至基站的安全速率得出K个用户通信保密率的和，以K个用户通信保密率的和最大作为目标函数，考虑每个用户传输速率、每个用户发射的功率及RIS的反射相移矩阵的约束，进行优化求解，得到K个用户通信保密率的和的最大值。
在本实施例中，步骤S6中，K个用户通信保密率的和的表达式为：
Figure BDA0003022323750000072
优选地，步骤S6中所述目标函数为：
Figure BDA0003022323750000073
代表的是以用户的发射功率和RIS的反射相移为优化变量，使K个用户通信保密率的和最大；
考虑每个用户传输速率的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000074
此条件是为了保证每个用户传输速率满足最小传输速率。
考虑每个用户发射的功率的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000075
此条件约束的是用户的发射功率的最大阈值；
考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件表达式为：
Figure BDA0003022323750000076
此条件约束的是RIS的发射相移矩阵；
其中，
Figure BDA0003022323750000081
表示用户k的最小传输速率；
Figure BDA0003022323750000082
表示用户k发射功率的最大阈值。
所述目标函数为非凸目标函数，而且考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件为非凸约束条件，所述优化求解方法为交替优化法，交替优化的对象为用户k的发射功率Pk和RIS的反射相移矩阵Φ。
为了更好的解决
Figure BDA0003022323750000083
和
Figure BDA0003022323750000084
引入辅助变量
Figure BDA0003022323750000085
Figure BDA0003022323750000086
其中，o表示哈达玛积；
令
Figure BDA0003022323750000087
那么
Figure BDA0003022323750000088
K个用户的可达速率之和进一步化简可得，
Figure BDA0003022323750000089
将目标函数转化为：
Figure BDA00030223237500000810
约束条件转化为：
Figure BDA00030223237500000811
Figure BDA00030223237500000812
|θi|＝1；
使用交替优化变量Pk和θ来解决问题：1)给定θ,优化功率Pk，把约束条件进行如下的变形：
Figure BDA00030223237500000813
由于目标函数中对于Pk为非凹函数，我们将目标函数中非凹的部分进行一阶泰勒展开得，
Figure BDA0003022323750000091
其中，
Figure BDA0003022323750000092
是一阶泰勒展开的可行点，此时目标函数转换为P3：
Figure BDA0003022323750000093
约束条件转化为：
Figure BDA0003022323750000094
Figure BDA0003022323750000095
则
Figure BDA0003022323750000096
为Pk的凸优化问题，可以用内点法进行求解；
2)给定Pk,优化相移θ；目标函数转化为P4：
Figure BDA0003022323750000097
约束条件为：
Figure BDA0003022323750000098
|θi|＝1
此时目标函数为非凹的，约束条件是非凸约束，则令：
Figure BDA0003022323750000099
则：
Figure BDA00030223237500000910
Figure BDA00030223237500000911
Figure BDA0003022323750000101
将目标函数进行一节泰勒展开得：
Figure BDA0003022323750000102
其中，Θ(0)是一阶泰勒展开的可行点，则目标函数转化为P5：
Figure BDA0003022323750000103
约束条件为：
Figure BDA0003022323750000104
Figure BDA0003022323750000105
Figure BDA0003022323750000106
rank(Θ)＝1
其中
Figure BDA0003022323750000107
只有一个非0元素，即Ei(i,i)＝1，其余元素全为0。P5中唯一的非凸约束是约束的秩一约束，可以去掉约束来解决问题，最后为了解决省略的秩一约束，应用标准高斯随机化方法来获得问题P5的近似解。
具体求解过程为：
S61.将用户k的发射功率Pk和RIS的反射相移矩阵Φ分别初始化，得到
Figure BDA0003022323750000108
和Φ(0)，目标函数初始化为R(0)；设迭代次数为r，初始值为0；设差阈值为：ε＝10-4；
S62.利用步骤S61初始化后的值，求解转化后的目标函数P3，获得
Figure BDA0003022323750000109
S63.将
Figure BDA00030223237500001010
代入目标函数P5，求解得到Φ*；
S64.将
Figure BDA00030223237500001011
Φ*代到目标函数求得R(r+1)；
S65.r＝r+1；
S66.判断
Figure BDA00030223237500001012
是否成立，若是，输出最大通信保密率的和，否则重复返回步骤S62。
进一步，本发明还得出了图3，即用户发射的不同功率对可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率的影响曲线图，图3中横坐标表示用户发射的不同功率值，纵坐标表示可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率，其中，“十”表示优化功率，“*”表示优化相位，“○”表示采用本发明所提方法进行交替优化的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率标识，通过图3可以看出，利用本发明所提方法在性能上，比只优化功率和只优化相移的方案有较大的提升，当用户发射功率增大时，系统的保密率的和值也随之增大。并且，随着功率的增大，固定用户发射功率优化相位比固定相位只优化功率的保密率增长的要多得多，这说明了优化RIS的相位比只优化用户的发射功率会获得更高的收益。
图4表示RIS反射元件的数量对可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率的影响曲线图，其中横坐标表示RIS反射元件的数量N，纵坐标表示可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率，图3表示了不同方案下的保密率与RIS反射元件数量的关系，“十”表示优化功率，“*”表示优化相位，“○”表示采用本发明所提方法进行交替优化的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统通信保密率标识，可以明显的看出，随着反射元件数量的增加，系统的保密率也随着增大，这表明联合优化发射功率和RIS的反射相移会获得更高的收益，也说明了RIS反射元件的有效性，随着RIS可调节的反射元件数量增多，联合优化用户的发射功率和RIS的反射相移比只优化RIS的性能的提升程度增大。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，至少包括：
S1.建立由基站、窃听者、RIS及K个用户组成的可重构智能表面辅助非正交多址接入系统；
S2.定义用户k到RIS之间的信道表示、RIS到基站之间的信道表示、RIS和窃听者之间的信道表示、RIS的反射相移矩阵表示，k为用户的序号；基站、窃听者和K个用户均配备单个天线，RIS包括N个反射元件，用户k到RIS之间的信道为hk∈N×1，RIS到基站之间的信道为HBS∈N×1，RIS和窃听者之间的信道表示为ge∈N×1，其中，表示复值矩阵，的指数表示复值矩阵的维度，RIS的反射相移矩阵表示为Φ＝diag(φ1,...,φN)，其中，
Figure FDA0003902140570000011
θn∈[0,2π)，βn∈[0,1]，考虑RIS所有反射元件的有效相移，满足|φn|＝1，n∈{1,…,N}，且全部信道的信道状态信息已知，RIS的反射元件越多，可重构智能表面辅助非正交多址接入系统的通信保密率越高；
S3.基站解码用户k的信息，计算用户k处的信干噪比；在本步骤之前还包括基站处接收叠加信号以及窃听者处接收叠加信号的过程，基站处接收到的叠加新号表示为：
Figure FDA0003902140570000012
窃听者处接收到的叠加信号表示为：
Figure FDA0003902140570000013
其中，sk为单位功率，表示来自用户k的信号；Pk表示用户k的发射功率；nB和ne分别表示基站处和窃听者处均值为0，方差分别为σ2和
Figure FDA0003902140570000014
的加性白噪声；
S4.基于用户k的信干噪比，计算用户k处的可达速率；
S5.计算窃听者窃听用户k的窃听率，并结合用户k处的可达速率，确认用户k至基站的安全速率；
S6.根据用户k至基站的安全速率得出K个用户通信保密率的和，以K个用户通信保密率的和最大作为目标函数，考虑每个用户传输速率、每个用户发射的功率及RIS的反射相移矩阵的约束，进行优化求解，得到K个用户通信保密率的和的最大值。
2.根据权利要求1所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，步骤S3中，基站利用连续干扰消除的方式解码用户k的信息，K个用户的解码顺序为：
Figure FDA0003902140570000021
具体过程为：基站首先对信道质量最好的用户进行解码，最好的信道质量表示为
Figure FDA0003902140570000022
然后基站从接收到的叠加信号中移出该信息，接着基站对信道质量次优的用户进行解码，以此类推，直至解码出所有信号。
3.根据权利要求2所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，步骤S3中用户k处的信干噪比的计算表达式为：
Figure FDA0003902140570000023
其中，γk表示用户k处的信干噪比。
4.根据权利要求3所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，
当k＝K时，
Figure FDA0003902140570000024
步骤S4中所述基于用户k的信干噪比计算用户k处的可达速率的表达式为：
Figure FDA0003902140570000025
其中，Rk表示用户k处的可达速率。
5.根据权利要求4所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，窃听者能消除非正交多址接入保密协议中用户间的干扰，则步骤S5所述计算窃听者窃听用户k的窃听率的表达式为：
Figure FDA0003902140570000031
其中，Re,k表示窃听者窃听用户k的窃听率，结合用户k处的可达速率，得到用户k至基站的安全速率表达式：
Rsec,k＝[Rk-Re,k]+
其中，Rsec,k表示用户k至基站的安全速率。
6.根据权利要求5所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，步骤S6中，K个用户通信保密率的和的表达式为：
Figure FDA0003902140570000032
7.根据权利要求6所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，步骤S6中所述目标函数为：
Figure FDA0003902140570000033
考虑每个用户传输速率的约束条件表达式为：
Figure FDA0003902140570000034
考虑每个用户发射的功率的约束条件表达式为：
Figure FDA0003902140570000035
考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件表达式为：
Figure FDA0003902140570000036
其中，
Figure FDA0003902140570000037
表示用户k的最小传输速率；
Figure FDA0003902140570000038
表示用户k发射功率的最大阈值。
8.根据权利要求7所述的可重构智能表面RIS辅助非正交多址接入的安全通信优化方法，其特征在于，所述目标函数为非凸目标函数，而且考虑RIS的反射相移矩阵的约束条件为非凸约束条件，所述优化求解方法为交替优化法，交替优化的对象为用户k的发射功率Pk和RIS的反射相移矩阵Φ。
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