CN113965234B - 基于ris使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，主要解决现有技术传输安全性与可靠性无法兼顾的问题。方案包括：用户端在上行传输中，发送经过乘性随机扰动后的幅度相位调制信号；然后，根据多径反射信号同相叠加实现原理，面向接收天线索引编码，分别设计两种不同实现复杂度的RIS反射信号相位旋转策略以对齐扰动相位，使得用户端随机加扰对基站端指定天线接收信号无影响，但是在窃听端形成随符号速率更新的固有扰动；最后，基站端和窃听端分别对各自得到的接收信号进行检测和解码。本发明能有效保障上行预编码空间调制安全传输，并实现传输可靠性与硬件代价之间的可控调整。

Description

基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，进一步涉及无线通信中的物理层信息安全技术，具体为一种基于可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，可用于提高可重构智能表面使能的上行预编码空间调制的传输安全性。

背景技术

可重构智能表面RIS由大量无源反射元件组成，受与其连接的控制器调节，其中每个反射单元可对入射电磁波产生独立的幅度和相位调节作用。可重构智能表面具有成本低、耗能小、反射波束可控管理等诸多技术优势，其合理布设可为未来复杂电磁环境中的可靠通信提供高效解决方案。

空间调制(Spatial Modulation,SM)技术利用被激活天线索引调制传输附加信息比特，可辅助多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统实现空间复用和空间分集增益获取方面的折中，同时可克服传统MIMO技术中存在的天线间同步、信道间干扰及多射频链路消耗等固有缺陷。预编码空间调制(Precoding aided SpatialModulation,PSM)是通过设计发射机预编码方案，使得发射信号能量汇聚到某根接收天线上完成天线激活，利用被激活接收天线索引编码传输附加信息。PSM辅助MIMO传输可有效提高单数据流传输效率，明显降低多天线接收机的检测复杂度。

可重构智能表面辅助的空间调制RIS-SM和预编码空间调制RIS-PSM通过设计RIS反射阵元的入射波形调整系数，可有效利用大规模反射阵元提供的多径增益，提高空间调制符号的传输可靠性、改善传输覆盖，避免收发端直达路径阻塞导致的传输中断。如2021年1月在IEEE Transactions On Wireless Communications上发表的文献《ReconfigurableIntelligent Surfaces With Reflection Pattern Modulation:Beamforming Designand Performance Analysis》中所述，现有研究通过控制RIS反射阵元开关状态，形成不同的反射图案，并利用激活图案的索引调制传输信息，可进一步提升RIS空间调制系统的数据速率。然而，选择一部分反射阵元处于关闭状态，使得RIS在辅助信息传输时，无法提供全部多径增益，造成接收信号能量损失，影响接收误码性能。此外，无线信道的开放性，使得保密信息遭受非授权用户恶意窃取的风险。RIS空间调制系统，实际执行单天线信号传输，保密信息失窃风险明显提高。在非授权用户接近发射端或者接收端时，保密信息失窃风险表现得更为显著。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，用于解决现有RIS空间调制技术在保障物理层信息安全上存在的缺陷，以及RIS无源反射实现复杂度较高等方面存在的技术约束；该方法采用可重构智能表面使能单天线用户上行预编码空间调制，可有效提高上行预编码空间调制的传输安全性，高效实现RIS空间调制安全传输。

实现本发明的基本思路是：基于多径反射信号同相叠加设计思想，单天线用户端在上行传输中，发送经过乘性随机扰动后的幅度相位调制信号，面向接收天线索引编码设计RIS相位旋转反射系数，以对齐扰动相位，使得用户端随机加扰在基站处做到抵消、在窃听端形成按符号速率更新的固有扰动，从而完成空间调制基带比特与空域比特的保密传输。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)设系统中用户端配置有单根发射天线、基站端D具有N_r根接收天线、窃听端Eve配置有N_e根接收天线、可重构智能表面RIS具有N个反射阵元，N为2的非负整数幂，用户端通过控制器对RIS进行控制；

2)用户端向基站端D发送导频信息，得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵

和

且两个信道矩阵中的元素均服从瑞利衰落；窃听端Eve窃取导频信息后，得到用户端到窃听端的窃听信道矩阵和RIS到窃听端的反射信道矩阵分别为

和

其中

表示复数域；

3)用户端对保密信息进行处理得到混合信号并发送，步骤如下：

(3.1)用户端将每个发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分；

(3.2)随机选用相位扰动因子w：

其中，θ₁表示在(0,2π]区间内的随机数，j表示虚部；

(3.3)在基带比特中加入相位扰动因子w，即注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的混合信号wx_k，其中x_k为映射的相移键控PSK的第k个保密信号；

(3.4)用户端通过发射天线向RIS发送混合信号wx_k；

4)设合法通信双方均已知理想衰落信道状态信息，用户端根据信道矩阵h和G计算基站端第i根接收天线所对应的级联信道幅度累加和Z_i：

其中，i＝1,2,...,N_r；l＝1,2,...,N表示RIS中第l个反射阵元，h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道矩阵h中的元素，g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道矩阵G中的元素；

5)将计算得到的基站端每根接收天线所对应的级联信道幅度累加和按照从大到小的顺序排序，并根据排序结果对接收天线索引进行重新编码，得到索引编码；

6)构建按RIS反射阵元相位对齐策略：

(6.1)根据下式得到RIS第l个反射阵元引入的相移：

Φ_l＝-θ₁+∠h_l+∠g_il，

其中，∠h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道对应信道系数的相位参量，∠g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道对应信道系数的相位参量；

(6.2)令RIS中相邻阵元之间的间距不小于信号波长的一半，根据下式得到RIS反射系数对角阵Θ_i：

其中，Φ_l∈(0,2π]为由RIS第l个反射阵元引入的相移，diag(·)表示以矢量·中的元素为对角元的对角阵；

7)构建按RIS反射子集相位对齐策略：

(7.1)将RIS的所有反射阵元平均分为L个子集，s＝1,2,...,L表示第s个子集，每个子集包含A＝N/L个阵元，L为2的非负整数次幂；

(7.2)根据下式计算RIS各子集中反射阵元使用的反射系数相位Fω^s：

其中，

为RIS第s个子集到基站端第i根接收天线的信道中第t个阵元分量，

为用户端到RIS第s个子集的信道中第t个阵元分量，t＝1,2,...,A；

(7.3)利用反射系数相位，按照下式得到RIS各子集反射系数向量

和激活索引编码后基站端第i根接收天线的反射系数对角阵

其中，

和

分别表示RIS第s个子集的反射幅度和相位，(·)^T表示转置操作；

8)基站端和窃听端分别获取各自的接收信号：

基站端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y_b1＝GΘ_ihwx_k+n_b，

其中，n_b表示基站端D处的复高斯噪声矢量；

窃听端分为以下两种情况获取接收信号：

第一种：窃听端与用户端有传输连接，而与RIS传输连接被阻断时，接收信号为y^ideal：

y^ideal＝cwx_k+n_o，

其中，n_o表示窃听端Eve处的复高斯噪声矢量；

第二种：窃听端与用户端、RIS均有传输连接时，窃听端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y₁ ^worst＝(c+fΘ_ih)wx_k+n_o，

9)基站端和窃听端分别对各自得到的接收信号进行检测和解码：

基站端基于最大似然估计准则进行空间比特和基带比特的联合最优检测，完成保密信息解码，准确地获得保密信息；

窃听端在受乘性随机扰动干扰的情况下进行保密信息解码，不能准确地检测出空间比特和基带比特信息。

本发明与现有技术相比具有的如下优点：

第一、本发明在用户端发射保密信号时加入了乘性随机扰动相位，通过扰动相位对窃听端窃听到符号进行干扰，具有较低的实现复杂度；

第二、由于本发明通过对RIS反射阵元进行子集划分，从而在保障信息安全传输的前提下，有效降低了RIS硬件代价；

第三、本发明能够在高效完成上行预编码空间调制的同时，保障上行空域比特和基带比特的理想保密状态，即实现“一次一密”传输。

附图说明

图1为本发明中系统模型的示意图；

图2为本发明方法的实现流程图；

图3为使用本发明方法在基带调制方案为4-QAM、基站端被激活接收天线索引指定为1时，基站端、窃听端与RIS无传输连接和窃听端与RIS有传输连接的窃听端三维星座仿真结果对比图；

其中a、b、c分别为SNR为-10dB下，基站端、窃听端与RIS无传输连接、窃听端与RIS有传输连接的星座图；d、e、f为SNR为5dB下，基站端、窃听端与RIS无传输连接、窃听端与RIS有传输连接的星座图。

图4为本发明涉及系统配置不同数目反射阵元，且采用EPA反射策略时，窃听端和基站端的误比特率仿真结果对比图；

图5为本发明涉及系统配置固定数目反射阵元，且采用SPA反射策略的阵元分组数目不同时，基站端和窃听端的误比特率仿真结果对比图；

图6为不同RIS反射方案和窃听场景下，系统各态历经可达安全速率仿真曲线对比图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明技术方案进行详细描述：

参照图1，本发明中系统模型的示意图，本发明方法所采用的系统模型具体包括以下内容：用户端、基站端、窃听端和可重构智能表面RIS。用户端配置有N_t根发射天线，基站端和窃听端均配有接收天线，基站端具有N_r根接收天线、窃听端有N_e根接收天线，同时RIS拥有N个反射单元并且连接到控制器，N为2的非负整数幂；本实例以N_t＝1,N_r＝2,M＝2,N_e＝2，N＝64为例。每一发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分，空间比特选择特定的接收天线，发射天线发送乘性随机扰动信号与基带调制信号的混合信号，然后由RIS将混合信号反射传输至基站端，最后基站端进行信号接收与检测。

参照图2，本发明提供的一种基于RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，具体实现步骤如下：

步骤1：设系统中用户端配置有单根发射天线、基站端D具有N_r根接收天线、窃听端Eve配置有N_e根接收天线、可重构智能表面RIS具有N个反射阵元，N为2的非负整数幂，用户端通过控制器对RIS进行控制；

步骤2：用户端向基站端D发送导频信息，导频信息通过RIS反射至基站端D，RIS和基站端D分别依据此导频信息估计出第一跳信道矩阵，然后将第一跳信道矩阵作为深度残差网络的输入、第二跳信道矩阵作为深度残差网络输出，对网络进行训练后获得信道状态信息，用户端根据该信息完成对信道的精确估计，即得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵

和

且两个信道矩阵中的元素均服从瑞利衰落；窃听端Eve窃取导频信息后，得到用户端到窃听端的窃听信道矩阵和RIS到窃听端的反射信道矩阵分别为

和

其中

表示复数域；

步骤3：用户端对保密信息进行处理得到混合信号并发送，步骤如下：

用户端将每一发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分，并注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的发射信号，即混合信号；

第一部分空间比特，用来指定被激活接收天线。通过RIS反射阵元系数设计，使得信号能量在被激活接收天线处汇聚，且被激活接收天线的基带信号星座能完全分离，其他接收天线的基带信号星座呈不可分离的弥散状态；

第二部分基带比特，用来映射为PSK星座符号。

(3.1)用户端将每个发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分；

(3.2)随机选用相位扰动因子w：

其中，θ₁表示在(0,2π]区间内的随机数，j表示虚部；

(3.3)在基带比特中加入相位扰动因子w，即注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的混合信号wx_k，其中x_k为映射的相移键控PSK的第k个保密信号；

(3.4)用户端通过发射天线向RIS发送混合信号wx_k；具体是将每个发送时隙的信息比特通过无线信道发送给RIS，再通过RIS反射至接收天线，基站端和窃听端分别通过各自的接收天线获得混合信号；所述混合信号包含保密信号和随机相位扰动信号。

步骤4：考虑空间比特传输安全性增强设计，采用一种基于接收天线索引编码的空间比特保密传输策略：

设合法通信双方均已知理想衰落信道状态信息，用户端根据信道矩阵h和G计算基站端第i根接收天线所对应的级联信道幅度累加和Z_i：

其中，i＝1,2,...,N_r；l＝1,2,...,N表示RIS中第l个反射阵元，h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道矩阵h中的元素，g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道矩阵G中的元素；

步骤5：将计算得到的基站端每根接收天线所对应的级联信道幅度累加和按照从大到小的顺序排序，并根据排序结果对接收天线索引进行重新编码，得到索引编码。编码后，RIS到基站端的信道矩阵为GQ，其中

可由单位矩阵的初等列变化得到；

步骤6：构建按RIS反射阵元相位对齐策略，具体如下：

(6.1)根据下式得到RIS第l个反射阵元引入的相移：

Φ_l＝-θ₁+∠h_l+∠g_il，

其中，∠h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道对应信道系数的相位参量，∠g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道对应信道系数的相位参量；

(6.2)令RIS中相邻阵元之间的间距不小于信号波长的一半，根据下式得到RIS反射系数对角阵Θ_i：

其中，Φ_l∈(0,2π]为由RIS第l个反射阵元引入的相移，diag(·)表示以矢量·中的元素为对角元的对角阵；

步骤7：构建按RIS反射子集相位对齐策略，具体如下：

(7.1)在EPA反射方案实现中，每个RIS阵元都需要控制器为其分配一个特定相移，无疑增加了阵元反射电路硬件的实现复杂度和RIS控制器的复杂度。为降低RIS实现复杂度，采用对RIS反射阵元进行子集划分的策略SPA：将RIS的所有反射阵元平均分为L个子集，s＝1,2,...,L表示第s个子集，每个子集包含A＝N/L个阵元，L为2的非负整数次幂；

(7.2)根据下式计算RIS各子集中反射阵元使用的反射系数相位Fω^s：

其中，

为RIS第s个子集到基站端第i根接收天线的信道中第t个阵元分量，

为用户端到RIS第s个子集的信道中第t个阵元分量，t＝1,2,...,A；

(7.3)利用反射系数相位，按照下式得到RIS各子集反射系数向量

和激活索引编码后基站端第i根接收天线的反射系数对角阵

其中，

和

分别表示RIS第s个子集的反射幅度和相位，(·)^T表示转置操作；

步骤8：基站端和窃听端分别获取各自的接收信号：

基站端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，这里采用按RIS反射阵元相位对齐策略，满足RIS反射性能的同时使得基站端对齐扰动相位，以达到安全传输的目的；采用按RIS反射子集相位对齐策略，可在不明显降低系统传输性能的同时，有效降低RIS控制器的实现复杂度。分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y_b1＝GΘ_ihwx_k+n_b，

其中，n_b表示基站端D处的复高斯噪声矢量；

窃听端分为以下两种情况获取接收信号：

第一种：窃听端与用户端有传输连接，而与RIS传输连接被阻断时，接收信号为y^ideal：

y^ideal＝cwx_k+n_o，

其中，n_o表示窃听端Eve处的复高斯噪声矢量；

第二种：窃听端与用户端、RIS均有传输连接时，窃听端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y₁ ^worst＝(c+fΘ_ih)wx_k+n_o，

步骤9：基站端和窃听端分别对各自得到的接收信号进行检测和解码：

基站端基于最大似然估计准则进行空间比特和基带比特的联合最优检测，完成保密信息解码，准确地获得保密信息。本实施例中，假设基站端可获得理想衰落信道状态信息，基于最大似然估计准则，基站端分别在EPA和SPA发射方案进行空间比特和基带比特的联合最优检测，完成保密信息解码，表达式如下：

窃听端不同于基站端检测，随机扰动策略对于窃听端检测进行了干扰，随机扰动信号对于窃听接收端来说是未知的，不能准确地检测出空间比特和基带比特信息。窃听端在受乘性随机扰动干扰的情况下进行保密信息解码，分为以下两种情况：

A.窃听端与用户端有传输连接，而与RIS传输连接被阻断时：窃听端根据获得的理想衰落信道状态信息，仅完成对基带比特的检测和解码：

B.窃听端与用户端、RIS均有传输连接时：窃听端根据获得的理想衰落信道状态信息，将RIS反射干扰信号与接收噪声作为色噪声处理，并对噪声白化后的窃听信号进行最大似然检测，得到解码信号：

参照图3，描绘了N_t＝1、N_r＝2、N＝64时，仿真200个点数为例，调制方式为4-QAM时，不同接收天线的接收信号星座弥散情况，其中a、b、c分别为SNR为-10dB下，基站端、窃听端与RIS无传输连接和窃听端与RIS有传输连接的星座图，“+”、“□”分别为指定接收天线为第一根时，第一根的接收信号星座图和指定接收天线为第一根时第二根的接收信号星座图，d、e、f为SNR为5dB下的以上描述接收情况；并且为了方便观察星座图，Eve端各接收天线的接收信号能量是以基站端被激活天线的接收信号能量为基准，做归一化处理。由星座图a和d可知，本发明可有效提高单数据流传输效率；进一步对比可知，本发明中方法对保密信号的发送有较好的保护作用，基站端对期望保护的信号能够进行分离而不产生干扰。比较而言，Eve端受随机扰动相位的影响，接收信号幅度抑制明显、星座弥散程度较高。

参照图4，描绘了N_t＝1、N_r＝2、N_e＝2时，RIS反射阵元数为N∈{8,16,32,64}，RIS使用EPA反射策略时，基站端与窃听端误比特率结果，其中窃听端场景为最好情况(与用户端有传输连接，与RIS无传输连接)；首先，随着信噪比增加，基站端误比特率逐渐减小，且可在较低的信噪比水平下，高可靠地检测出保密信号。Eve端误比特率维持在0.5左右，说明本发明中方法对Eve端执行保密信号检测有固有干扰作用，能够实现类“一次一密”安全传输。其次，随着RIS反射阵元数的不断提升(N＝{8,16,32,64})，基站端误比特率下降趋势更快，说明本发明中方法较好地利用了多径反射信号同相叠加增强信道增益的优势。

参照图5，描绘了N_t＝1、N_r＝2、N_e＝2、N＝64时，SPA策略下RIS分组情况分别为AP∈{8,16,32}，与EPA策略不同反射阵元数下基站端、窃听端的误比特率性能；可见分组越多，SPA策略在误码率性能上越接近EPA策略。分析可知，本发明中所提SPA反射策略可在传输可靠性和实现代价之间做适度折中；

参照图6，描绘了N_t＝1，N_r＝2，N_e＝2，N＝64，M＝2时基站端和窃听端的可达速率以及系统的安全速率；图中点线表示窃听端与RIS传输连接被阻断，且已知扰动和索引编码时的各态历经安全速率，点划线表示窃听端与RIS有传输连接，且已知扰动和索引编码时的各态历经安全速率，虚线表示窃听端与RIS有传输连接，未知扰动和索引编码时的各态历经安全速率；窃听端各态历经可达速率为零，表示系统保密信号几无失窃风险；随着信噪比的不断增大，系统各态历经安全速率呈现先较快提高后趋于平稳，或者下降后趋于平稳的趋势。这是因为在采用低截获安全传输方案时，信噪比增加使得基站端可达速率较快增长至平稳状态，而窃听速率保持为零，系统各态历经安全速率呈现先提高后平稳的变化趋势。在窃听端已知安全传输方案，且能够实时获取用户端加扰因子时，信噪比增加导致信号泄露功率增加、基带比特窃听速率提高，而空间比特窃听速率保持为零，系统各态历经安全速率呈现先提高后下降，最终平稳的变化趋势；通过对比不同情景的各态历经安全速率可知，在所设计方案下，系统在较低信噪比情况下已经可以达到较好的安全性能。

本发明提出的方案能够解决现有预编码空间调制收发天线配置约束，用户上行信息传输安全性与可靠性无法兼顾，及大规模阵元可重构智能表面波束可控管理方案实现代价高的问题。包括：单天线用户端在上行传输中，发送经过乘性随机扰动后的幅度相位调制信号；然后，根据多径反射信号同相叠加实现原理，面向接收天线索引编码，分别设计两种不同实现复杂度的RIS反射信号相位旋转策略，以对齐扰动相位，使得用户端随机加扰对基站端指定天线接收信号无影响，但是在窃听端形成随符号速率更新的固有扰动；最后，基站端对信号观测进行联合最优检测。窃听端分别在与RIS有无传输连接的条件下进行接收符号检测，以对比所提方案的性能优势。本发明能有效保障上行预编码空间调制安全传输实现，且通过RIS无源波束管理实现安全传输的复杂度较低；此外，本发明在RIS扰动对齐方案选取和设计方面，可实现传输可靠性与硬件代价之间的可控调整。

下面结合仿真实验对本发明的效果进一步说明：

A.仿真条件

使用matlab仿真工具进行模拟，假定信息在瑞利平坦衰落信道下，发射机获得全部的信道状态信息，具体仿真参数设置如下：

仿真1：设定N_t＝1，N_r＝2，N＝64，M＝4(4-QAM)，SNR∈{-10,5}；

仿真2：设定N_t＝1，N_r＝2，N_e＝2，N∈{8,16,32,64}，M＝2(BPSK)；

仿真3：设定N_t＝1，N_r＝2，N_e＝2，N＝64，AP∈{8,16,32}，M＝2(BPSK)；

仿真4：设定N_t＝1，N_r＝2，N_e＝2，N＝64，M＝2(BPSK)；

B.仿真内容

仿真1：指定接收天线对比于其他接收天线在调制方式为QAM下三维星座仿真结果对比图，仿真结果如图3所示；

仿真2：不同反射阵元数情况时，EPA策略下的窃听端和基站端的误比特率仿真结果对比图，仿真结果如图4所示；

仿真3：反射阵元为64时，SPA策略反射阵元分组数不同情况与EPA策略基站端、窃听端的误比特率仿真结果对比图，仿真结果如图5所示；

仿真4：不同RIS反射方案和窃听场景下，系统各态历经可达安全速率仿真曲线对比图，仿真结果如图6所示。

C.仿真结果

由图3可见，相同的参数配置下，基站端在用户端随机乘性相位扰动和RIS端相位矩阵的设计下，能够对保密信号进行较好分离；并且对指定天线的接收信号有较好的汇聚作用。

由图4、5可见，随着信噪比的不断增加，基站端的误比特率性能不断提高。窃听端始终受到按符号速率更新的固有扰动影响，其误比特率性能在考虑的场景下均较差。基站端与窃听端差错性能的显著差异表明了所提方案的有效性。

由图6可知，不同场景下，所提方案安全速率能够较快达到速率上限，并且窃听端可达速率在所设计方案下保持为零。这一现象验证了所提方案的高安全性。

上述仿真分析证明了本发明所提方法的正确性与有效性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于可重构智能表面RIS使能的上行随机扰动对齐预编码空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设系统中用户端配置有单根发射天线、基站端D具有N_r根接收天线、窃听端Eve配置有N_e根接收天线、可重构智能表面RIS具有N个反射阵元，N为2的非负整数幂，用户端通过控制器对RIS进行控制；

2)用户端向基站端D发送导频信息，得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵

和

且两个信道矩阵中的元素均服从瑞利衰落；窃听端Eve窃取导频信息后，得到用户端到窃听端的窃听信道矩阵和RIS到窃听端的反射信道矩阵分别为

和

其中

表示复数域；

3)用户端对保密信息进行处理得到混合信号并发送，步骤如下：

(3.1)用户端将每个发送时隙的信息比特拆分为空间比特和基带比特两部分；

(3.2)随机选用相位扰动因子w：

其中，θ₁表示在(0,2π]区间内的随机数，j表示虚部；

(3.3)在基带比特中加入相位扰动因子w，即注入乘性随机扰动，得到附加有相位随机性的混合信号wx_k，其中x_k为映射的相移键控PSK的第k个保密信号；

(3.4)用户端通过发射天线向RIS发送混合信号wx_k；

4)设合法通信双方均已知理想衰落信道状态信息，用户端根据信道矩阵h和G计算基站端第i根接收天线所对应的级联信道幅度累加和Z_i：

其中，i＝1,2,...,N_r；l＝1,2,...,N表示RIS中第l个反射阵元，h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道矩阵h中的元素，g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道矩阵G中的元素；

5)将计算得到的基站端每根接收天线所对应的级联信道幅度累加和按照从大到小的顺序排序，并根据排序结果对接收天线索引进行重新编码，得到索引编码；

6)构建按RIS反射阵元相位对齐策略：

(6.1)根据下式得到RIS第l个反射阵元引入的相移：

Φ_l＝-θ₁+∠h_l+∠g_il，

其中，∠h_l表示用户端到RIS第l个反射阵元的信道对应信道系数的相位参量，∠g_il表示RIS第l个反射阵元到基站端第i根接收天线的信道对应信道系数的相位参量；

(6.2)令RIS中相邻阵元之间的间距不小于信号波长的一半，根据下式得到RIS反射系数对角阵Θ_i：

其中，Φ_l∈(0,2π]为由RIS第l个反射阵元引入的相移，diag(g)表示以矢量g中的元素为对角元的对角阵；

7)构建按RIS反射子集相位对齐策略：

(7.1)将RIS的所有反射阵元平均分为L个子集，s＝1,2,...,L表示第s个子集，每个子集包含A＝N/L个阵元，L为2的非负整数次幂；

(7.2)根据下式计算RIS各子集中反射阵元使用的反射系数相位Fω^s：

其中，

为RIS第s个子集到基站端第i根接收天线的信道中第t个阵元分量，

为用户端到RIS第s个子集的信道中第t个阵元分量，t＝1,2,...,A；

(7.3)利用反射系数相位，按照下式得到RIS各子集反射系数向量

和激活索引编码后基站端第i根接收天线的反射系数对角阵

其中，

和

分别表示RIS第s个子集的反射幅度和相位，(g)^T表示转置操作；

8)基站端和窃听端分别获取各自的接收信号：

基站端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y_b1＝GΘ_ihwx_k+n_b，

其中，n_b表示基站端D处的复高斯噪声矢量；

窃听端分为以下两种情况获取接收信号：

第一种：窃听端与用户端有传输连接，而与RIS传输连接被阻断时，接收信号为y^ideal：

y^ideal＝cwx_k+n_o，

其中，n_o表示窃听端Eve处的复高斯噪声矢量；

第二种：窃听端与用户端、RIS均有传输连接时，窃听端采用按RIS反射阵元相位对齐策略与按RIS反射子集相位对齐策略对混合信号进行接收，分别得到两种不同策略下对应的接收信号如下：

y₁ ^worst＝(c+fΘ_ih)wx_k+n_o，

9)基站端和窃听端分别对各自得到的接收信号进行检测和解码：

基站端基于最大似然估计准则进行空间比特和基带比特的联合最优检测，完成保密信息解码，准确地获得保密信息；

窃听端在受乘性随机扰动干扰的情况下进行保密信息解码，不能准确地检测出空间比特和基带比特信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵

和

按照如下方式得到：用户端向基站端D发送导频信息，导频信息通过RIS反射至基站端D，RIS和基站端D分别依据此导频信息估计出第一跳信道矩阵，然后将第一跳信道矩阵作为深度残差网络的输入、第二跳信道矩阵作为深度残差网络输出，对网络进行训练后获得信道状态信息，用户端根据该信道状态信息完成对信道的精确估计，即得到用户端到RIS与RIS到基站的信道矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3.1)中所述空间比特用于激活接收天线发送保密符号；基带比特用于映射得到PSK的星座符号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3.4)中用户端通过发射天线向RIS发送混合信号，是将每个发送时隙的信息比特通过无线信道发送给RIS，再通过RIS反射至接收天线，基站端和窃听端分别通过各自的接收天线获得混合信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述混合信号包含保密信号和随机相位扰动信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤9)中所述窃听端在受乘性随机扰动干扰的情况下进行保密信息解码，分为以下两种情况：

A.窃听端与用户端有传输连接，而与RIS传输连接被阻断时：窃听端根据获得的理想衰落信道状态信息，仅完成对基带比特的检测和解码；

B.窃听端与用户端、RIS均有传输连接时：窃听端根据获得的理想衰落信道状态信息，将RIS反射干扰信号与接收噪声作为色噪声处理，并对噪声白化后的窃听信号进行最大似然检测，得到解码信号。

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