CN113422628B - 基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统 - Google Patents

基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统 Download PDF

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CN113422628B CN202011558325.3A CN202011558325A CN113422628B CN 113422628 B CN113422628 B CN 113422628B CN 202011558325 A CN202011558325 A CN 202011558325A CN 113422628 B CN113422628 B CN 113422628B
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统，在部署可重构智能表面和主动干扰的单输入多输出的通讯网络中，设计该网络的用户安全传输速率优化模型，在块坐标下降法框架下，给定的主动干扰波束成形和RIS波束成形参数，优化求解接收波束成形模型及优化求解主动干扰波束成形模型，然后基于所得的接收波束成形模型和主动干扰波束成形模型解，优化求解RIS波束成形模型，最后基于主动干扰波束成形和RIS波束成形模型的解，更新主动干扰波束成形和RIS波束成形参数，重复依次优化模型，获得该网络的最终安全传输方案，本发明与传统安全传输方案相比，更有效地提高了网络地传输安全。

Description

基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统。
背景技术
现有的无线网络系统中，安全防御措施主要依赖于加密技术，但是随着无线设备数量的激增，加密的方法在密钥管理和分发问题面临极大的挑战。而现部署的一些小型基站的计算能力和资源有限，可能无法有效地支持加密技术所需的计算复杂度。在这方面，物理层的安全技术通过利用无线介质的固有特性，例如衰落，干扰和噪声，可实现无密钥安全传输而受到广泛关注。
通常，物理层的安全就是基于空间自由度(Degree Of Spatial Freedom，DoF)设计传输波束成形，使信号有指向性地向用户传输，增强合法接收的同时降低窃听接收。而将干扰或者人工噪声(Artificial Noise，AN)与波束成形技术相结合是提高无线通信安全传输的一种有效方式；此外，可重构智能表面(RIS)是一种软件控制的元曲面，具有大量几乎无源的组件，可以重新配置以使无线环境可编程，RIS具有低成本和低功率操作的特点，通过RIS进行人工干预信号传播，联合优化信号传输波束成形和无线电传输环境，使系统更为有效地增强合法接收，而降低窃听接收，为无线电安全传输设计开辟了新的方向。
RIS作为一种新兴的无线技术，引起了人们的广泛关注，现有的大部分关于RIS增强通信安全的研究都致力于发射端的策略设计。相比之下，接收端的安全问题确很少得到解决。在实际中，在上行链路传输过程中增强接收端的安全性也尤为重要，因为在上行链路传输中发射端通常是一些功率较小的用户设备，因此其通信安全会受到更大的威胁，接收端的通信安全无法得到有效保障。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法及终端系统，通过引入RIS辅助信号传输，增强接收端的合法接收，相比于传统方案较大提升了无线通信的安全性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，包括以下步骤：
S101、构建部署RIS和主动干扰的通信网络模型，根据通信网络模型分析得到接收端用户的安全传输速率，根据安全传输速率设计通信网络模型的用户安全传输速率优化模型；
S102、设定主动干扰的波束成形参数和RIS的波束成形参数，并结合用户安全传输速率优化模型得到接收端的波束成形策略；
S103、根据接收端的波束成形策略和RIS无源波束成形的参数，并结合用户安全传输速率优化模型得到主动干扰的波束成形策略；
S104、基于步骤S102的接收端的波束成形策略和步骤S103的主动干扰的波束成形策略，并结合用户安全传输速率优化模型得到RIS波束成形策略；
S105、基于步骤S103的主动干扰的波束成形策略和步骤S104的RIS波束成形策略，迭代更新步骤S102的主动干扰的波束成形策略和RIS波束成形参数，重复执行步骤S102-S104，直至接收端的波束成形策略、主动干扰的波束成形策略和RIS波束成形策略的变量收敛，得到通信网络模型的安全传输方案。
优选的，步骤S101中由发射端S、接收端D、窃听者E和可重构智能反射面I构建通信网络模型；
根据通信网络模型确定无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型；
根据无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型，确定合法用户D和窃听者E的信噪比；
根据合法用户D和窃听者E的信噪比确定合法接收端的安全传输速率，再根据安全传输速率构建用户安全传输速率优化模型。
优选的，所述无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型表达式如下：
Figure GDA0003389737390000021
yE＝(hSE+HIEΘhSI)x+(HDE+HIEΘHDI)z+nE.
其中，x为发射信号，
Figure GDA0003389737390000022
为干扰噪声，hSD,hSE,hSI,HID,HIE,HDE和HDI表示相对应的信道状态矩阵，HDD为自干扰信道状态矩阵，ρ为自干扰信道的抑制比，
Figure GDA0003389737390000023
为允许的最大干扰噪声功率，nD和nE分别为D和E处功率为
Figure GDA0003389737390000024
的背景高斯噪声，Θ是反射系数矩阵，我们将它定义为
Figure GDA0003389737390000031
θ＝[θ1,θ2,L,θN]T，其中θ表示反射元件的相移。
优选的，所述安全传输速率的表达式如下：
Figure GDA0003389737390000032
用户安全传输速率优化模型的表达式如下：
Figure GDA0003389737390000033
其中，ωD为接收端的接收波束成形，z为主动干扰波束成形和
Figure GDA0003389737390000034
为RIS波束成形。
优选的，步骤S102中接收端的波束成形策略的表达式如下：
Figure GDA0003389737390000035
其中，t为迭代次数。
优选的，步骤S103中得到主动干扰的波束成形策略的方法如下：
根据接收端的波束成形策略和RIS波束成形参数将安全传输速率改写为：
Figure GDA0003389737390000036
Figure GDA0003389737390000037
Figure GDA0003389737390000038
再根据“若
Figure GDA0003389737390000039
x＞0，
Figure GDA00033897373900000310
则有t＝1/x”这一引理，在改写后的安全传输速率公式中引入辅助变量ξ1和ξ2，可对安全传输速率公式进行近似处理：
Figure GDA00033897373900000311
Figure GDA00033897373900000312
Figure GDA00033897373900000313
同时，对于优化变量Z采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则主动干扰的波束成形策略对应的主动干扰优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure GDA0003389737390000041
s.t.ξ1＞0,ξ2＞0；
通过优化主动干扰优化模型，并对优化结果Z进行高斯随机化分解可求得z(t+1)，即主动干扰的波束成形策略。
优选的，步骤S104中所述RIS波束成形策略的确定方法如下：
根据主动干扰的波束成形策略z(t+1)和接收端的波束成形策略
Figure GDA0003389737390000042
将安全传输速率改写如下：
Figure GDA0003389737390000043
根据步骤S103的引理，在安全传输速率公式中引入辅助变量ξ3和ξ4，对改写后的安全传输速率公式进行近似处理：
Figure GDA0003389737390000044
Figure GDA0003389737390000045
Figure GDA0003389737390000046
同时，对于变量
Figure GDA0003389737390000047
采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则RIS波束成形策略对应的RIS波束成形优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure GDA0003389737390000048
s.t.ξ3＞0,ξ4＞0
Figure GDA0003389737390000049
Figure GDA00033897373900000410
其中，符号定义如下：
Figure GDA00033897373900000411
Figure GDA00033897373900000412
Figure GDA00033897373900000413
Figure GDA0003389737390000051
Figure GDA0003389737390000052
通过求解上述半定规划优化问题，并对优化结果
Figure GDA0003389737390000053
进行高斯随机化分解得到
Figure GDA0003389737390000054
再根据
Figure GDA0003389737390000055
求出
Figure GDA0003389737390000056
即RIS波束成形策略。
优选的，步骤105中变量参数收敛条件如下，
Figure GDA0003389737390000057
一种终端系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，能够在单输入多输出网络中，在发射端传输波束成形效果较差的情况下，为网络合法用户提供可靠的安全传输保障。针对现有技术存在的问题，在通信网络中部署可重构智能表面和在接收端使用主动干扰技术，在合法接收端的安全传输速率中，引入接收端波束成形及主动干扰波束成形和可重构智能表面波束成形，可有效提高网络的安全传输速率。本发明通过构建部署可重构智能表面和在接收端使用主动干扰技术的单输入多输出网络场景，设计一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案，与传统安全传输方案相比，更有效地提高了网络地传输安全。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案的流程图。
图2是本发明实施例提供的基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案与传统方法(没有RIS仅有主动干扰、没有主动干扰仅有RIS及既没有RIS也没有主动干扰)在不同RIS反射元素个数条件下的安全传输性能对比图；
图3是本发明实施例提供的基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案与传统方法(没有RIS仅有主动干扰、没有主动干扰仅有RIS及既没有RIS也没有主动干扰)在窃听者处在不同窃听位置情况下的安全传输性能对比图；
图4是本发明实施例提供的基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案与传统方法(没有RIS仅有主动干扰、没有主动干扰仅有RIS及既没有RIS也没有主动干扰)在不同主动干扰功率条件下的安全性能比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，包括以下步骤：
S101：构建部署RIS和主动干扰的通信网络模型，根据通信网络模型分析得到接收端用户的安全传输速率，并设计该网络的用户安全传输速率优化模型；
具体的，由发射端S、接收端D、窃听者E和可重构智能反射面I构建通信网络模型，根据通信网络模型确定无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型，表达式如下：
Figure GDA0003389737390000061
Figure GDA0003389737390000062
其中，x为发射信号，z:
Figure GDA0003389737390000063
为干扰噪声，hSD,hSE,hSI,HID,HIE,HDE和HDI表示相对应的信道状态矩阵，HDD为自干扰信道状态矩阵，ρ为自干扰信道的抑制比，
Figure GDA0003389737390000064
为允许的最大干扰噪声功率，nD和nE分别为D和E处功率为
Figure GDA0003389737390000065
的背景高斯噪声，Θ是反射系数矩阵，我们将它定义为
Figure GDA0003389737390000066
θ＝[θ1,θ2,L,θN]T，其中θ表示反射元件的相移。
根据无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型，确定合法用户D和窃听者E的信噪比，其表达式如下：
Figure GDA0003389737390000067
Figure GDA0003389737390000068
其中，NR和NE为接收端接收天线数和窃听者接收天线数，ωD和
Figure GDA0003389737390000069
为合法接收端和窃听者的接收波束成形。
根据合法用户D和窃听者E的信噪比确定合法接收端的安全传输速率，则合法接收端的安全传输速率的表达式如下：
Figure GDA0003389737390000071
其中(·)+＝max{·,0}，且
hSID@hSD+HIDΘhSI,
Figure GDA0003389737390000072
hSIE@hSE+HIEΘhSI,HDIE@HDE+HIEΘHDI。
则根据安全传输速率构建用户安全传输速率优化模型：
Figure GDA0003389737390000073
即一个联合优化接收端的接收波束成形ωD，主动干扰波束成形z和RIS波束成形
Figure GDA0003389737390000074
以最大化合法接收端的安全传输速率的模型。通过将安全传输优化模型分解，并分别以ωD，z和
Figure GDA0003389737390000075
为优化变量的三个子优化模型，在块坐标下降法框架下可求得原模型的安全传输方案。
S102：设定主动干扰的波束成形参数和RIS的波束成形参数，并结合安全传输速率优化模型得到接收端的波束成形策略；
具体的，设定主动干扰的波束成形参数z(t)和RIS波束成形参数
Figure GDA0003389737390000076
t为迭代次数，并结合安全传输速率优化模型，根据广义特征值分解可得到接收端的波束成形优化模型的优化解，对该模型求解即得到接收端的波束成形策略为：
Figure GDA0003389737390000077
S103：根据接收端的波束成形策略和RIS无源波束成形的参数，并结合安全传输速率优化模型得到主动干扰的波束成形策略；
具体的，基于S102所得的接收端的波束成形策略
Figure GDA0003389737390000078
和设定的RIS波束成形参数
Figure GDA0003389737390000079
将安全传输速率公式写为：
Figure GDA00033897373900000710
其中，为简化公式，我们定义了如下符号：
Figure GDA00033897373900000711
Figure GDA0003389737390000081
再根据“若
Figure GDA0003389737390000082
x＞0，
Figure GDA0003389737390000083
则有t＝1/x”这一引理，在安全传输速率公式中引入辅助变量ξ1和ξ2，可对本步骤中的安全传输速率公式进行近似处理：
Figure GDA0003389737390000084
Figure GDA0003389737390000085
Figure GDA0003389737390000086
同时，对于优化变量Z，采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则主动干扰优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure GDA0003389737390000087
s.t.ξ1＞0,ξ2＞0
通过优化主动干扰优化模型，并对优化结果Z进行高斯随机化分解可求得z(t+1)，即主动干扰波束成形策略。
S104：基于步骤S102的接收端的波束成形策略和步骤S103的主动干扰的波束成形策略，并结合安全传输速率优化模型得到RIS波束成形策略；
具体的，基于步骤S102得到的接收端的波束成形策略
Figure GDA0003389737390000088
和步骤S103求得的主动干扰波束成形策略z(t+1)，将安全传输速率公式写为：
Figure GDA0003389737390000089
根据步骤S103中的引理，在安全传输速率公式中引入辅助变量ξ3和ξ4，可对本步骤中的安全传输速率公式进行近似处理：
Figure GDA00033897373900000810
Figure GDA00033897373900000811
Figure GDA00033897373900000812
同时，对于优化变量
Figure GDA0003389737390000091
采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则RIS波束成形优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure GDA0003389737390000092
s.t.ξ3＞0,ξ4＞0
Figure GDA0003389737390000093
Figure GDA0003389737390000094
其中，符号定义如下：
Figure GDA0003389737390000095
Figure GDA0003389737390000096
Figure GDA0003389737390000097
Figure GDA0003389737390000098
Figure GDA0003389737390000099
通过求解上述半定规划优化问题，并对优化结果
Figure GDA00033897373900000910
进行高斯随机化分解得到
Figure GDA00033897373900000911
再根据
Figure GDA00033897373900000912
求出
Figure GDA00033897373900000913
即RIS波束成形策略。
S105：基于步骤S103的主动干扰的波束成形策略和步骤S104的RIS波束成形策略，更新步骤S102的主动干扰的波束成形策略和RIS波束成形参数，重复上述S102～S104，直至接收端的接收波束成形ωD，主动干扰波束成形z和RIS波束成形
Figure GDA00033897373900000914
收敛，即可获得该网络的最终安全传输方案。
具体的，更新迭代次数t←t+1，基于步骤S103的主动干扰波束成形模型的优化解和骤S104的RIS波束成形模型的优化解，更新S102中主动干扰的波束成形参数z(t)和RIS波束成形参数
Figure GDA00033897373900000915
重复上述步骤S102-步骤S104，直至参数满足收敛条件
Figure GDA00033897373900000916
即可获得该网络的最终安全传输方案。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
本发明对基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方案进行仿真，验证本发明方案的优越性。具体的步骤如下：设定的基础参数为发射机、合法接收机和窃听者分别位于坐标为(0，0)、(400，0)和(200，300)的地面上。合法接收机有4根接收天线和2根发射天线，窃听者有4根天线。RIS部署在100米的高度，水平坐标为(200，-100)。参考距离为1米时，大尺度衰落为-20dB，背景噪声功率为-140dBW。地面信道在瑞利衰落下的路径损耗指数为4，而与RIS的信道在莱斯衰落下的路径损耗指数为2.5。发射机的发射功率为1W，RIS有50个反射元素。干扰功率为1W，自干扰系数比为-100dB。
将本发明与传统方法(没有RIS仅有主动干扰、没有主动干扰仅有RIS及既没有RIS也没有主动干扰)在不同的RIS反射元素个数、窃听者的窃听位置和干扰功率条件下的进行安全传输性能对比，如图2-图4所示。
由于现有的安全机制依赖于加密技术，随着设备数量增长，密钥的分发和管理变得愈加困难。且随着设备计算能力的提升，也增加了加密被破解的风险，其次，现有物理层安全策略主要依赖于人工噪声或者波束成形技术，对于传输环境的利用欠佳，技术遇到瓶颈，另外，现有基于可重构智能表面增强接收端通信安全技术较少，在上行通信链路中接收端的通信安全无法得到有效保障。
现有的物理层安全技术主要是基于传输波束成形的研究，而在物理层安全中引入可重构智能表面增强通信安全是新型的解决方案；且针对于存在具有多天线的窃听者的上行传输链路场景中接收端的通信安全问题的解决也是一种全新的挑战。在本发明考虑的场景中，发射端天线的数量小于窃听者天线的数量，使得发射端缺乏足够的空间自由度，从而发射端传输波束成形技术效果甚微。因此，需要引入RIS辅助信号传输，提供额外的传输波束成形，增强接收端的合法接收。此外，在上行链路传输中接收端的传输安全问题上，需要接收端采用接收波束成形进一步增强合法接收，同时需要采用全双工技术在发射端发送干扰噪声，干扰窃听者的窃听，从而最大化通信系统传输安全。
本发明采用物理层安全方案，其无需密钥且复杂度较低；本发明考虑发射端天线的数量小于窃听者天线的数量的情况下，接收端的通信传输安全；通过引入RIS辅助信号传输，增强接收端的合法接收；同时，为进一步增强接收端的传输安全，引入主动干扰噪声和接收端波束成形技术，所提方案实现了一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，相比于传统方案较大提升了无线通信的安全性能。
综上所述，本发明实施例提供的基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，在部署可重构智能表面和主动干扰的单输入多输出(Single Input Multiple Output，SIMO)的网络中，通过对接收端用户的安全传输速率的分析，设计该网络的用户安全传输速率优化模型。在块坐标下降法(Block Coordinate Descent，BCD)框架下，给定的主动干扰波束成形和RIS波束成形参数，优化求解接收波束成形模型。再基于接收波束成形模型的解和给定的RIS无源波束成形参数，优化求解主动干扰波束成形模型。然后基于所得的接收波束成形模型和主动干扰波束成形模型解，优化求解RIS波束成形模型。最后基于主动干扰波束成形和RIS波束成形模型的解，更新主动干扰波束成形和RIS波束成形参数，重复依次优化模型，迭代参数，直至参数收敛，即可获得该网络的最终安全传输方案。针对现有技术存在的问题，在通信网络中部署可重构智能表面和在接收端使用主动干扰技术，在合法接收端的安全传输速率中，引入接收端波束成形及主动干扰波束成形和可重构智能表面波束成形，可有效提高网络的安全传输速率。本发明通过构建部署可重构智能表面和在接收端使用主动干扰技术的单输入多输出网络场景，设计一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，与传统安全传输方案相比，更有效地提高了网络地传输安全。
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法的步骤。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
在示例性实施例中，还提供了一种终端系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、构建部署RIS和主动干扰的通信网络模型，根据通信网络模型分析得到接收端用户的安全传输速率，根据安全传输速率设计通信网络模型的用户安全传输速率优化模型；
S102、设定主动干扰的波束成形参数和RIS的波束成形参数，并结合用户安全传输速率优化模型得到接收端的波束成形策略；
所述波束成形策略的表达式如下：
Figure FDA0003796084350000011
其中，Z为干扰噪声，ωD为接收端的接收波束成形，t为迭代次数；
S103、根据接收端的波束成形策略和RIS无源波束成形的参数，并结合用户安全传输速率优化模型得到主动干扰的波束成形策略；
所述得到主动干扰的波束成形策略的方法如下：
根据接收端的波束成形策略和RIS波束成形参数将安全传输速率改写为：
Figure FDA0003796084350000012
Figure FDA0003796084350000013
Figure FDA0003796084350000014
再根据“若
Figure FDA0003796084350000015
则有t＝1/x”这一引理，在改写后的安全传输速率公式中引入辅助变量ξ1和ξ2，可对安全传输速率公式进行处理：
Figure FDA0003796084350000016
Figure FDA0003796084350000017
Figure FDA0003796084350000018
同时，对于优化变量Z采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则主动干扰的波束成形策略对应的主动干扰优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure FDA0003796084350000021
s.t.ξ1＞0,ξ2＞0；
通过优化主动干扰优化模型，并对优化结果Z进行高斯随机化分解可求得z(t+1)，即主动干扰的波束成形策略；
S104、基于步骤S102的接收端的波束成形策略和步骤S103的主动干扰的波束成形策略，并结合用户安全传输速率优化模型得到RIS波束成形策略；
所述RIS波束成形策略的确定方法如下：
根据主动干扰的波束成形策略z(t+1)和接收端的波束成形策略
Figure FDA0003796084350000022
将安全传输速率改写如下：
Figure FDA0003796084350000023
根据步骤S103的引理，在安全传输速率公式中引入辅助变量ξ3和ξ4，对改写后的安全传输速率公式进行处理：
Figure FDA0003796084350000024
Figure FDA0003796084350000025
同时，对于变量Θ，采用半定松弛法，忽略其秩为1的约束，则RIS波束成形策略对应的RIS波束成形优化模型可表述为如下半定规划问题：
Figure FDA0003796084350000026
s.t.ξ3＞0,ξ4＞0
Figure FDA0003796084350000027
Figure FDA0003796084350000028
其中，符号定义如下：
Figure FDA0003796084350000029
Figure FDA0003796084350000031
Figure FDA0003796084350000032
Figure FDA0003796084350000033
Figure FDA0003796084350000034
通过求解上述半定规划优化问题，并对优化结果Θ进行高斯随机化分解得到
Figure FDA00037960843500000313
再根据
Figure FDA00037960843500000314
求出θ(t+1)，即RIS波束成形策略；
S105、基于步骤S103的主动干扰的波束成形策略和步骤S104的RIS波束成形策略，迭代更新步骤S102的主动干扰的波束成形策略和RIS波束成形参数，重复执行步骤S102-S104，直至接收端的波束成形策略、主动干扰的波束成形策略和RIS波束成形策略的变量收敛，得到通信网络模型的安全传输方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，其特征在于，步骤S101中由发射端S、接收端D、窃听者E和可重构智能反射面I构建通信网络模型；
根据通信网络模型确定无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型；
根据无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型，确定合法用户D和窃听者E的信噪比；
根据合法用户D和窃听者E的信噪比确定合法接收端的安全传输速率，再根据安全传输速率构建用户安全传输速率优化模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，其特征在于，所述无线信号在接收端D和窃听者E的传输模型表达式如下：
Figure FDA0003796084350000036
Figure FDA0003796084350000037
其中，x为发射信号，
Figure FDA0003796084350000038
Figure FDA0003796084350000039
为干扰噪声，hSD,hSE,hSI,HID,HIE,HDE和HDI表示相对应的信道状态矩阵，HDD为自干扰信道状态矩阵，ρ为自干扰信道的抑制比，
Figure FDA00037960843500000310
为允许的最大干扰噪声功率，nD和nE分别为D和E处功率为
Figure FDA00037960843500000311
的背景高斯噪声，Θ是反射系数矩阵，定义为
Figure FDA00037960843500000315
θ＝[θ1,θ2,…,θN]T，其中θ表示反射元件的相移。
4.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，其特征在于，所述安全传输速率的表达式如下：
Figure FDA0003796084350000041
用户安全传输速率优化模型的表达式如下：
Figure FDA0003796084350000042
其中，ωD为接收端的接收波束成形，z为主动干扰波束成形和
Figure FDA0003796084350000043
为RIS波束成形。
5.根据权利要求4所述的一种基于可重构智能表面和主动干扰的安全传输方法，其特征在于，步骤105中变量参数收敛条件如下，
Figure FDA0003796084350000044
6.一种终端系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11848709B2 (en) * 2020-08-14 2023-12-19 Huawei Technologies Co., Ltd. Media-based reconfigurable intelligent surface-assisted modulation
CN113765617B (zh) * 2021-09-30 2023-09-22 电子科技大学 一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法
CN115314094B (zh) * 2022-05-30 2024-05-24 安徽师范大学 一种基于级联IRSs与合法用户协同安全传输策略分析方法
TWI801259B (zh) * 2022-06-07 2023-05-01 國立陽明交通大學 使用可重構智能表面之全雙工通訊系統及方法
CN117081636B (zh) * 2023-10-16 2024-02-20 南京邮电大学 可重构智能表面辅助主动干扰的发射功率优化方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10069592B1 (en) * 2015-10-27 2018-09-04 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Systems and methods for securing wireless communications
CN109495881A (zh) * 2018-12-11 2019-03-19 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法
CN112073102A (zh) * 2020-09-08 2020-12-11 郑州大学 一种基于irs的安全波束成形方法与装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7904723B2 (en) * 2005-01-12 2011-03-08 Interdigital Technology Corporation Method and apparatus for enhancing security of wireless communications
KR101403039B1 (ko) * 2012-10-08 2014-06-11 한국과학기술원 전파방해 신호를 전송하는 장치 및 방법
EP2833558B1 (en) * 2013-07-31 2015-12-23 Huawei Technologies Co., Ltd. Method for detecting eavesdroppers in a wireless communication system
US9806849B2 (en) * 2014-12-05 2017-10-31 Lg Electronics Inc. Method and apparatus for feeding partial CQI back by terminal in wireless communication system
KR20190003042A (ko) * 2017-06-30 2019-01-09 서울대학교산학협력단 도청자가 존재하는 전이중 무선전력통신에서 에너지 빔 형성 방법
CN109451492B (zh) * 2018-11-13 2020-08-18 西安交通大学 下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法
CN110086524B (zh) * 2019-04-24 2021-06-04 南京邮电大学 基于友好干扰的星地融合协作通信物理层安全传输方法
CN110601736B (zh) * 2019-08-09 2023-10-24 中央民族大学 一种多天线全双工认知无线电能量捕获与信息传输方法
CN111313951B (zh) * 2020-02-17 2022-01-25 南京邮电大学 基于非理想csi的irs辅助安全通信无线传输方法
CN111615111B (zh) * 2020-04-30 2023-07-25 西北工业大学 一种面向小小区网络的分布式稳健安全资源分配方法
CN111954190B (zh) * 2020-08-20 2024-01-30 深圳恩步通信技术有限公司 基于智能反射面的d2d通信吞吐量最大化的方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10069592B1 (en) * 2015-10-27 2018-09-04 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Systems and methods for securing wireless communications
CN109495881A (zh) * 2018-12-11 2019-03-19 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法
CN112073102A (zh) * 2020-09-08 2020-12-11 郑州大学 一种基于irs的安全波束成形方法与装置

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