CN113950085A - 一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，该方法包括：构建基于智能反射面的毫米波通信系统；建立保密速率最大化模型；对保密速率最大化模型进行优化求解获取基站的保密传输波速赋形矢量以及智能反射面的反射面相移。与现有技术相比，本发明采用基于信息论方法保护的物理层无需复杂的数学密钥对隐私信息进行加密，使得毫米波通信中实现有效可靠的物理层安全成为可能。

Description

一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法

技术领域

本发明涉及毫米波通信技术领域，尤其是涉及一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法。

背景技术

由于毫米波信号具有无线广播特性，因此合法用户和非法用户都可以任意访问无线传输，开放的传输环境和缺乏物理保护可能导致攻击者的恶意攻击与窃听的安全风险。

现有技术是需要依靠破解生成密钥的高层加密技术，然而需要极高的计算复杂度才能保证加密算法的有效性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法、通信系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，该方法包括：

构建基于智能反射面的毫米波通信系统；

建立保密速率最大化模型；

对保密速率最大化模型进行优化求解获取基站的保密传输波速赋形矢量以及智能反射面的反射面相移。

优选地，所述的基于智能反射面的毫米波通信系统包括基站、智能反射面、合法用户和非法用户，所述的基站配备M个天线，所述的智能反射面配备N个反射元。

优选地，所述的保密速率最大化模型表示为：

其中，

R_s＝[R_u-R_l]⁺＝max(R_u-R_l,0)，

ω＝(ω₁,ω₂,...,ω_M)^T

为保密传输波速赋形矢量，Φ为智能反射面的反射面相移对角阵，φ_i为智能反射面第i个反射元的有效相移，ω_j为基站第j个天线保密传输波速赋形量，i＝1，2，……，N，j＝1，2，……，M，P_s为基站发送功率，

H_BI、h_IU、h_IL对应为基站到智能反射面、智能反射面到合法用户、智能反射面到非法用户之间的等效信道，上标H表示共轭转置矩阵，

为噪声功率，

优选地，优化求解时通过交替优化算法进行循环优化求解直至保密速率收敛至最大值。

优选地，交替优化的步骤具体为：固定反射面相移求解保密传输波束赋形矢量，固定保密传输波束赋形矢量求解反射面相移，不断交替重复直至保密速率收敛至最大值。

优选地，交替优化过程中利用闭式解推导出最优的保密传输波束赋形矢量。

优选地，交替优化过程中利用半定松弛法求解最优的智能反射面的反射面相移。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)传统的安全保密通信是依靠认证和密码技术，在无线通信系统上层实施，与物理层相对独立，本发明以物理层的角度来实现安全的无线通信，无线通信物理层安全技术，作为传统安全通信的重要补充，能够对无线通信过程中的信息形成有利的保护，有效阻止非法用户非法获取信息。

(2)由于毫米波路径损耗大、波长短，通信易受障碍物阻挡且传输范围有限。为了解决毫米波通信质量不高的问题，使用最近出现的智能反射面技术，通过低成本反射元调谐信号反射，能够动态改变无限信道，提高通信性能。本专利旨在实现系统中同时存在非法用户和合法用户的前提下，提高合法用户的保密速率，维持安全保密通信。

(3)本发明在设备低成本、微型、能源和计算能力有限的前提下，能够确保敏感数据无线传输的安全性，同时智能反射面作为下一代通信系统的重要基础设施也为系统提供了一种有效增加保密安全通信的途径，在合法用户处使反射链路信号动态地建设性或破坏性叠加，从而提高无线信道的保密通信速率。

附图说明

图1为本发明基于智能反射面的毫米波通信系统的组成示意图；

图2为本发明基于智能反射面的毫米波通信系统的优化流程图。

图中，1为基站，2为智能反射面，3为合法用户，4为非法用户。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

本实施例提供一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，该方法包括：

构建基于智能反射面的毫米波通信系统；

建立保密速率最大化模型；

对保密速率最大化模型进行优化求解获取基站的保密传输波速赋形矢量以及智能反射面的反射面相移。

本发明针对基站已知非法用户的信道状态信息的场景，建立了智能反射面辅助的毫米波安全通信模型，围绕基站发送波束赋形和智能反射面被动波束赋形得复合型波束赋形，提出安全速率优化问题。如图1所示，基于智能反射面的毫米波通信系统包括基站1、智能反射面2、合法用户3和非法用户4。由于毫米波的穿透能力较差，路径损耗严重，因此采用智能反射面来增加系统中额外的通信链路，在增加合法用户信噪比的同时，抑制非法用户的信噪比，因此来提高系统传输的保密速率。设定基站配备的天线数为M，智能反射面的反射元个数为N，合法用户以及非法用户的天线数量均为1。智能反射面接收来自基站的多路信号，再通过反射面上的反射元将信号反射给用户接收。其中基站到反射面、反射面到合法用户、反射面到非法之间的等效信道可表示为

智能反射面的反射元素所施加的有效相移的对角矩阵为

φ_i∈[0,2π)。发送信号可以表示为：

x＝ωs (1)

其中，

为保密传输的波束赋形矢量，s为发送信息符号，满足|s|²＝1。

因此，合法用户处的接收信号表示为：

非法用户处的接收信号表示为：

其中，

表示加性高斯噪声。

因此，合法用户对应的速率表示为：

非法用户处的速率表示为：

因此，系统的保密速率可以表示为：

R_s＝[R_u-R_l]⁺ (6)

式中，[x]⁺＝max(x,0)，上标H表示共轭转置矩阵，

为噪声功率，

为了确保安全保密传输，考虑设计系统中功率分配和智能反射面的相移，目标是最小化安全传输的基站发送功率，研究问题可以表述为：

其中，P_s为基站发送功率。问题(7)为一个非凸问题，无法直接求解最优的保密传输的波束赋形矢量和智能反射面的相移。因此采用交替优化的算法来设计保密传输的波束赋形矢量和智能反射面的相移，利用闭式解推导出最优的保密传输的波束赋形矢量，利用SDP来求解智能反射面的最优相移。

(1)求解保密传输的波束赋形矢量

该部分通过给定相移Φ，求解保密传输的波束赋形矢量，因此，问题(7)可以简化为：

为了简化描述，令：

那么问题可以描述为：

该问题的最优解可以表示为：

其中e_max为

的最大特征值对应的归一化特征向量，I_M表示M×M的单位矩阵。

(2)求解智能反射面相移

该部分通过给定相移Φ，求解保密传输的波束赋形矢量，因此，问题(7)可以简化为：

首先令

v＝[v₁,...,v_N]^H，|v_n|²＝1，通过变量代换，其中：

同理，问题即转化为：

令V＝v^Hv,原问题即可表示为以下形式：

由于该问题是一个分数非凸的形式，约束条件为非凸的二次等式，难以直接求解，因此，利用半定松弛法寻找问题(11)的近似解。首先，由于rank(V)＝1的约束是非凸的，因此将该约束进行松弛，即首先去掉该约束条件，此时利用Charnes和Cooper变换，令：

此时，问题(11)可以描述为：

问题(12)是一个凸半定规划问题，可以使用内点法求解。最后，为了恢复满足rank(V)＝1的解，利用高斯随机化方法得到问题(9)的解。

综合以上，如图2所示，求解时通过交替优化算法进行循环优化求解直至保密速率收敛至最大值。交替优化的步骤具体为：固定反射面相移求解保密传输波束赋形矢量，固定保密传输波束赋形矢量求解反射面相移，不断交替重复直至保密速率收敛至最大值。

本发明基于智能反射面的毫米波通信系统中智能反射面可以为目标用户提供额外的毫米波通信链路，以补充现有的蜂窝网络，具有扩大覆盖范围的作用。另一方面由于毫米波通信路径损耗严重以及通信链路中存在障碍物导致非视距传输，利用新兴技术智能反射面的先进物理层安全手段，以及基于毫米波通信智能反射面辅助无线网络物理层安全机制，构建了基于智能反射面辅助的多用户平均安全速率增强方法，相较于传统的依靠破解生成密钥的方法降低了加密算法的计算复杂度。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (7)

1.一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，该方法包括：

构建基于智能反射面的毫米波通信系统；

建立保密速率最大化模型；

对保密速率最大化模型进行优化求解获取基站的保密传输波速赋形矢量以及智能反射面的反射面相移。

2.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，所述的基于智能反射面的毫米波通信系统包括基站、智能反射面、合法用户和非法用户，所述的基站配备M个天线，所述的智能反射面配备N个反射元。

3.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，所述的保密速率最大化模型表示为：

s.t.||ω||²≤P_s,

φ_i∈[0,2π)

其中，

R_s＝[R_u-R_l]⁺＝max(R_u-R_l,0)，

ω＝(ω₁,ω₂,...,ω_M)^T

为保密传输波速赋形矢量，Φ为智能反射面的反射面相移对角阵，φ_i为智能反射面第i个反射元的有效相移，ω_j为基站第j个天线保密传输波速赋形量，i＝1，2，……，N，j＝1，2，……，M，P_s为基站发送功率，

H_BI、h_IU、h_IL对应为基站到智能反射面、智能反射面到合法用户、智能反射面到非法用户之间的等效信道，上标H表示共轭转置矩阵，

为噪声功率，

4.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，优化求解时通过交替优化算法进行循环优化求解直至保密速率收敛至最大值。

5.根据权利要求4所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，交替优化的步骤具体为：固定反射面相移求解保密传输波束赋形矢量，固定保密传输波束赋形矢量求解反射面相移，不断交替重复直至保密速率收敛至最大值。

6.根据权利要求5所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，交替优化过程中利用闭式解推导出最优的保密传输波束赋形矢量。

7.根据权利要求5所述的一种智能反射面辅助毫米波通信的安全设计方法，其特征在于，交替优化过程中利用半定松弛法求解最优的智能反射面的反射面相移。

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