CN114124258A - 一种最大化安全传输速率的方法 - Google Patents

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CN114124258A CN202111472623.5A CN202111472623A CN114124258A CN 114124258 A CN114124258 A CN 114124258A CN 202111472623 A CN202111472623 A CN 202111472623A CN 114124258 A CN114124258 A CN 114124258A
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冉静学
张家尧
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Abstract

本发明公开了一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线智能反射表面STAR‑RIS系统中。该方法首次考虑在多天线系统中配置STAR‑RIS，并且在基站附近存在窃听者的情况下，推导出了物理层安全传输速率容量表达式并且进行了分析；从而根据此表达式，通过联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR‑RIS的波束成形，最大化物理层安全传输速率。

Description

一种最大化安全传输速率的方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种最大化安全传输速率的方法。
背景技术
智能反射表面(RIS)是一种新兴的技术，通过许多反射元件巧妙地改变反射信号，RIS能够动态地改变无线信道以提高系统性能。由于其具有低功耗和部署成本低的优点，在过去几年中获得了人们极大的研究兴趣。特别是在工业物联网中，通过部署RIS可以有效地传输控制信息，降低时延。然而由于硬件实现方面，传统的RIS只能服务于位于同一侧的无线设备，这极大地限制了它们的部署灵活性和覆盖范围。同时传输和反射的智能反射表面(STAR-RIS)的提出解决了这一问题，通过同时发射和反射信号，STAR-RIS能提供一个全方位360度的覆盖，部署也更加灵活。
由于无线通信系统的广播特性和开放性，再加上防范措施不成熟，在传输过程中必然存在信息泄露的问题，并且系统极易受到非法用户的攻击。物理层安全(PLS)在提高传统系统无线通信安全性方面的研究已经获得了巨大的成功，其中RIS在PLS方面的研究也受到了较为广泛的关注。STAR-RIS虽然相比传统RIS能提供360度的覆盖，但也导致了窃听的风险大大增加。同时，由于STAR-RIS具有独特的功率分割模式，现有的针对RIS提高PLS的方案并不适用于STAR-RIS辅助的无线通信系统。
发明内容
为了提高多天线系统配置智能反射表面STAR-RIS的物理层安全性能，本发明公开了一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线系统配置智能反射表面STAR-RIS的系统中。
本发明实施例提供了如下技术方案：
一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线系统配置智能反射表面STAR-RIS的物理层安全传输系统，所述方法包括：
步骤A，估计获取基站到STAR-RIS的信道F，以及STAR-RIS到透射用户的信道Ht和STAR-RIS到反射用户的信道Hr，考虑窃听者的完整CSI，建立信道模型；
步骤B，根据信道的信息，计算合法用户和窃听者解码接收反射信号、透射信号的信噪比；
步骤C，根据物理层安全容量定义式，从而获得系统物理层安全传输速率表达式；
步骤D，联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形，优化问题进行拟凸化；
步骤E，求解优化问题，最大化安全传输速率。
其中，步骤A具体包括：
A1，假设基站配有M根天线，STAR-RIS配置N个反射单元，其余用户均为单天线用户；
A2，对STAR-RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落
Figure BDA0003384705300000021
其中
Figure BDA0003384705300000022
表示LoS路径，
Figure BDA0003384705300000023
表示NLoS路径，k为莱斯因子。对接收反射信号的合法用户、接收透射信号的合法用户以及窃听用户Eve到STAR-RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为
Figure BDA0003384705300000024
Figure BDA0003384705300000025
和
Figure BDA0003384705300000026
A3，基站在发射信号时的波束成形为
Figure BDA0003384705300000027
STAR-RIS的模式采用功率分割，透射系数和反射系数建模为
Figure BDA0003384705300000028
和
Figure BDA0003384705300000029
其中，diag[·]表示对角矩阵，
Figure BDA00033847053000000210
为第n个元素的振幅响应，满足
Figure BDA00033847053000000211
为第n个元素的相移响应，假设基站的最大发射功率为Pmax，用户处的干扰
Figure BDA0003384705300000031
为加性高斯白噪声(AWGN)。
其中，步骤B具体包括：
B1，合法用户在解码信号时将另一个合法用户的信号视为干扰，得到解码合法用户信号的信干噪比分别为SINRr和SINRt；
B2，考虑窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，求得窃听者解码合法用户的信噪比为SNRr和SNRt。
其中，步骤C具体包括：
C1，利用系统容量的定义式计算合法用户速率Cρ＝log2(1+SINRρ)，ρ＝{r,t}，窃听用户的速率CE,ρ＝log2(1+SNRρ)，ρ＝{r,t}；
C2，根据物理层安全容量的定义式，求得安全传输速率的下界为Rs,ρ≥[Cρ-CE,ρ]+,ρ∈{r,t}，[a]+表示max(a,0)。
其中，步骤D具体包括：
D1，优化目标可以表述为
Figure BDA0003384705300000032
当ρ＝t时，
Figure BDA0003384705300000033
其中，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为发射波束成形向量，目标函数受到基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形的约束；
D2，利用连续凸近似(SCA)可以将非凸问题转化为一系列的凸问题，在给定的
Figure BDA0003384705300000034
的情况下，将非凸问题进行凸近似转化，引入
Figure BDA0003384705300000035
Figure BDA0003384705300000036
其中，ρ∈{t,r}，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，σ2为AWGN的方差。
D3，忽略常数项，在给定点附近可以将目标函数转化为
Figure BDA0003384705300000041
其中，
Figure BDA0003384705300000042
表示取复数的实部，ρ∈{t,r}，
Figure BDA0003384705300000043
为固定的迭代点，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，G为基站之间的到STAR-RIS间的信道。
D4，当固定Θρ时，目标函数是一个凸函数，可以用最速牛顿下降梯度方法解决问题得到最优解w*；
D5，当固定w时，由与相移约束是非凸的，引入辅助向量xρ＝[xρ,1,...,xρ,N]T，将模约束松弛为
Figure BDA0003384705300000044
n∈{1,2,...,N}，其中，
Figure BDA0003384705300000045
为给定的第n个元素的的透射系数或反射系数，
Figure BDA0003384705300000046
为第n个元素的最优透射系数或反射系数，在目标函数中加入惩罚项
Figure BDA0003384705300000047
惩罚项的比例系数为η＞0。
其中，步骤E具体包括：
E1，初始化迭代次数n＝0，给定一个可行点
Figure BDA0003384705300000048
w为接收信号时的波束成形向量，Θt为透射系数，Θr为反射系数，η为惩罚项的比例系数，设置精度为τ；
E2，根据可行点计算出可行解
Figure BDA0003384705300000049
迭代次数n＝n+1；
E3，当两次迭代出的目标函数值
Figure BDA00033847053000000410
时，循环结束，返回最优解
Figure BDA00033847053000000411
以及目标函数值。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明考虑了采用功率分割的STAR-RIS来辅助多天线系统的物理层安全通信，假设窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，分析了合法用户和窃听者的传输速率，并且推导出了物理层安全容量；并且根据得到的物理层安全容量表达式，利用SCA凸近似转化，利用交替迭代方法，找到能够使得安全传输速率最大化的波束赋形因子，从而使得该系统的安全传输速率最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种最大化安全传输速率的方法的流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，智能反射表面物理层安全研究对于其商用化和普及有着重要的作用，如何在保密传输的同时保证较高的传输速率一直是本领域人员亟待解决的问题。
本发明的核心思想在于，STAR-RIS可以智能调节无线传播环境，从而可以进一步提高无线通信系统的性能。本发明是在引入STAR-RIS的情况下，以安全传输速率作为物理层安全的度量指标，通过联合基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形，提高物理层安全性能。
参见图1，本发明实施例提供一种最大化安全传输速率的方法，应用于多天线智能反射表面STAR-RIS系统中，具体为基于多天线系统配置智能反射表面STAR-RIS最大化安全传输速率的方法，所述方法包括：
步骤A，估计获取基站到STAR-RIS的信道F，以及STAR-RIS到透射用户的信道Ht和STAR-RIS到反射用户的信道Hr，考虑窃听者的完整信道状态信息CSI，建立信道模型；
步骤B，根据信道的信息，计算合法用户和窃听者解码接收反射信号、透射信号的信噪比；
步骤C，根据物理层安全容量定义式，从而获得系统物理层安全传输速率表达式；
步骤D，联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形，优化问题进行拟凸化；
步骤E，求解优化问题，最大化安全传输速率。
其中，步骤A具体包括：
A1，假设基站配有M根天线，STAR-RIS配置N个反射单元，其余用户均为单天线用户；
A2，对STAR-RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落
Figure BDA0003384705300000061
其中
Figure BDA0003384705300000062
表示LoS路径，
Figure BDA0003384705300000063
表示NLoS路径，k为莱斯因子。对接收反射信号的合法用户、接收透射信号的合法用户以及窃听用户Eve到STAR-RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为
Figure BDA0003384705300000064
Figure BDA0003384705300000065
和
Figure BDA0003384705300000066
A3，基站在发射信号时的波束成形为
Figure BDA0003384705300000067
STAR-RIS的模式采用功率分割，透射系数和反射系数建模为
Figure BDA0003384705300000068
和
Figure BDA0003384705300000069
其中，diag[·]表示对角矩阵，
Figure BDA00033847053000000610
为第n个元素的振幅响应，满足
Figure BDA0003384705300000071
为第n个元素的相移响应，假设基站的最大发射功率为Pmax，用户处的干扰
Figure BDA0003384705300000072
为加性高斯白噪声(AWGN)。
其中，步骤B具体包括：
B1，合法用户在解码信号时将另一个合法用户的信号视为干扰，得到解码合法用户信号的信干噪比分别为SINRr和SINRt；
B2，考虑窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，求得窃听者解码合法用户的信噪比为SNRr和SNRt。
其中，步骤C具体包括：
C1，利用系统容量的定义式计算合法用户速率Cρ＝log2(1+SINRρ)，ρ＝{r,t}，窃听用户的速率CE,ρ＝log2(1+SNRρ)，ρ＝{r,t}；
C2，根据物理层安全容量的定义式，求得安全传输速率的下界为Rs,ρ≥[Cρ-CE,ρ]+,ρ∈{r,t}，[a]+表示max(a,0)。
其中，步骤D具体包括：
D1，优化目标可以表述为
Figure BDA0003384705300000073
当ρ＝t时，
Figure BDA0003384705300000074
其中，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为发射波束成形向量，目标函数受到基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形的约束；
D2，利用连续凸近似(SCA)可以将非凸问题转化为一系列的凸问题，在给定的
Figure BDA0003384705300000075
的情况下，将非凸问题进行凸近似转化，引入
Figure BDA0003384705300000076
Figure BDA0003384705300000077
其中，ρ∈{t,r}，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，σ2为AWGN的方差。
D3，忽略常数项，在给定点附近可以将目标函数转化为
Figure BDA0003384705300000081
其中，
Figure BDA0003384705300000082
表示取复数的实部，ρ∈{t,r}，
Figure BDA0003384705300000083
为固定的迭代点，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，G为基站之间的到STAR-RIS间的信道。
D4，当固定Θρ时，目标函数是一个凸函数，可以用最速牛顿下降梯度方法解决问题得到最优解w*；
D5，当固定w时，由与相移约束是非凸的，引入辅助向量xρ＝[xρ,1,...,xρ,N]T，将模约束松弛为
Figure BDA0003384705300000084
n∈{1,2,...,N}，其中，
Figure BDA0003384705300000085
为给定的第n个元素的的透射系数或反射系数，
Figure BDA0003384705300000086
为第n个元素的最优透射系数或反射系数，在目标函数中加入惩罚项
Figure BDA0003384705300000087
εl,n≥0，惩罚项的比例系数为η＞0。
其中，步骤E具体包括：
E1，初始化迭代次数n＝0，给定一个可行点
Figure BDA0003384705300000088
w为接收信号时的波束成形向量，Θt为透射系数，Θr为反射系数，η为惩罚项的比例系数，设置精度为τ；
E2，根据可行点计算出可行解
Figure BDA0003384705300000089
迭代次数n＝n+1；
E3，当两次迭代出的目标函数值
Figure BDA00033847053000000810
时，循环结束，返回最优解
Figure BDA00033847053000000811
以及目标函数值。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明考虑了采用功率分割的STAR-RIS来辅助多天线系统的物理层安全通信，假设窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，分析了合法用户和窃听者的传输速率，并且推导出了物理层安全容量；并且根据得到的物理层安全容量表达式，利用SCA凸近似转化，利用交替迭代方法，找到能够使得安全传输速率最大化的波束赋形因子，从而使得该系统的安全传输速率最大化。
本发明公开了一种多天线智能反射表面STAR-RIS系统中，最大化物理层安全传输速率方法。该方法首次考虑在多天线系统中配置STAR-RIS，并且在基站附近存在窃听者的情况下，推导出了物理层安全容量下限表达式并且进行了分析；从而根据此表达式，通过联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形，最大化物理层安全传输速率。
本发明考虑了采用功率分割的STAR-RIS来辅助多天线系统的物理层安全通信，假设窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，分析了合法用户和窃听者的传输速率，并且推导出了物理层安全容量；并且根据得到的物理层安全容量表达式，利用SCA凸近似转化，利用交替迭代方法，找到能够使得安全传输速率最大化的波束赋形因子，从而使得该系统的安全传输速率最大化。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种最大化安全传输速率的方法，其特征在于，应用于多天线智能反射表面STAR-RIS系统中，包括如下步骤：
步骤A，估计获取基站到STAR-RIS的信道F，以及STAR-RIS到透射用户的信道Ht和STAR-RIS到反射用户的信道Hr，考虑窃听者的完整的信道状态信息CSI，建立信道模型；
步骤B，根据信道的信息，计算合法用户和窃听者解码接收反射信号、透射信号的信噪比；
步骤C，根据物理层安全容量定义式，从而获得系统物理层安全传输速率表达式；
步骤D，联合优化合法用户的发射功率、基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形，优化问题进行拟凸化；
步骤E，求解优化问题，最大化安全传输速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A具体包括：
A1，假设基站配有M根天线，STAR-RIS配置N个反射单元，其余用户均为单天线用户；
A2，对STAR-RIS到基站之间的信道考虑为莱斯衰落
Figure FDA0003384705290000011
Figure FDA0003384705290000012
其中
Figure FDA0003384705290000013
表示LoS路径，
Figure FDA0003384705290000014
表示NLoS路径，k为莱斯因子，对接收反射信号的合法用户、接收透射信号的合法用户以及窃听用户Eve到STAR-RIS之间的信道考虑为瑞利衰落模型，分别为
Figure FDA0003384705290000015
Figure FDA0003384705290000016
和
Figure FDA0003384705290000017
A3，基站在发射信号时的波束成形为
Figure FDA0003384705290000018
STAR-RIS的模式采用功率分割，透射系数和反射系数建模为
Figure FDA0003384705290000019
和
Figure FDA00033847052900000110
其中，diag[·]表示对角矩阵，
Figure FDA00033847052900000111
为第n个元素的振幅响应，满足
Figure FDA00033847052900000112
Figure FDA00033847052900000113
为第n个元素的相移响应，假设基站的最大发射功率为Pmax，用户处的干扰
Figure FDA0003384705290000021
为加性高斯白噪声(AWGN)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B具体包括：
B1，合法用户在解码信号时将另一个合法用户的信号视为干扰，得到解码合法用户信号的信干噪比分别为SINRr和SINRt；
B2，考虑窃听者能够完全消除同信道干扰的情况，求得窃听者解码合法用户的信噪比为SNRr和SNRt。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C具体包括：
C1，利用系统容量的定义式计算合法用户速率Cρ＝log2(1+SINRρ)，ρ＝{r,t}，窃听用户的速率CE,ρ＝log2(1+SNRρ)，ρ＝{r,t}；
C2，根据物理层安全容量的定义式，求得安全传输速率的下界为Rs,ρ≥[Cρ-CE,ρ]+,ρ∈{r,t}，[a]+表示max(a,0)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D具体包括：
D1，优化目标可以表述为
Figure FDA0003384705290000022
当ρ＝t时，
Figure FDA0003384705290000023
其中，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为发射波束成形向量，目标函数受到基站的波束成形和STAR-RIS的波束成形的约束；
D2，利用连续凸近似(SCA)可以将非凸问题转化为一系列的凸问题，在给定的
Figure FDA0003384705290000024
的情况下，将非凸问题进行凸近似转化，引入
Figure FDA0003384705290000025
Figure FDA0003384705290000026
Figure FDA0003384705290000027
其中，ρ∈{t,r}，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，σ2为AWGN的方差。
D3，忽略常数项，在给定点附近可以将目标函数转化为
Figure FDA0003384705290000031
其中，
Figure FDA0003384705290000032
表示取复数的实部，ρ∈{t,r}，
Figure FDA0003384705290000033
为固定的迭代点，Θt为透射系数，Θr为反射系数，w为接收信号时的波束成形向量，Ht为透射用户与STAR-RIS间的信道，Hr为反射用户与STAR-RIS间的信道，G为基站之间的到STAR-RIS间的信道；
D4，当固定Θρ时，目标函数是一个凸函数，可以用最速牛顿下降梯度方法解决问题得到最优解w*；
D5，当固定w时，由与相移约束是非凸的，引入辅助向量xρ＝[xρ,1,...,xρ,N]T，将模约束松弛为
Figure FDA0003384705290000034
其中，
Figure FDA0003384705290000035
为给定的第n个元素的的透射系数或反射系数，
Figure FDA0003384705290000036
为第n个元素的最优透射系数或反射系数，在目标函数中加入惩罚项
Figure FDA0003384705290000037
惩罚项的比例系数为η＞0。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E具体包括：
E1，初始化迭代次数n＝0，给定一个可行点
Figure FDA0003384705290000038
w为接收信号时的波束成形向量，Θt为透射系数，Θr为反射系数，η为惩罚项的比例系数，设置精度为τ；
E2，根据可行点计算出可行解
Figure FDA0003384705290000039
迭代次数n＝n+1；
E3，当两次迭代出的目标函数值
Figure FDA00033847052900000310
时，循环结束，返回最优解
Figure FDA00033847052900000311
以及目标函数值。
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