CN114157392B - 一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，主要步骤包括:S1:构建一种由分布式IRS辅助多输入单输出的无线通信系统；S2:通信场景考虑为直通链路，基站通过分布式IRS将信息传输给系统中的合法用户；S3:基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及IRS相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程。基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合优化求解；S4:采用连续凸近似和半定限松弛来优化基站的主动波束形成、人工噪声；S5:采用流形优化或最小‑最大化算法进行求解。本发明可以显著提高通信系统的安全性。

Description

一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法。

背景技术

随着第五代(5G)无线网络的广泛部署，网络的总体架构变得越来越庞大，越来越复杂。对网络数据的速率和能效、可靠性和低延迟等的要求也越来越高。然而，目前现有的技术可能无法完全满足这些需求。鉴于此，急需开发新的技术来降低网络成本、复杂性和能源消耗。作为最具有代表性的新技术之一，智能反射面(IRS，Intelligent ReflectingSurface)通过智能地改变传播环境，在系统设计中提供了额外的自由度。IRS由大量的被动反射元件组成，可以通过可编程控制器巧妙地调整相位移，并被动地反映电磁波(EM)的相位。IRS反射元件通常由小而低成本的组件组成，它们可以有效地反映接收到的信号，而不需要专用的射频处理或再传输。此外，IRS还通常具有价廉、重量轻、易于部署的优点，这使得它们很容易在墙壁、天花板、建筑立面、广告面板等上安装或移除。

另一方面，随着无线网络环境越来越复杂，传统无线通信系统中的信息安全技术难以保证系统的安全性。但随着通信新技术的引入，利用IRS结合物理层技术解决无线接入的安全性具有很强的理论和现实意义。为此，在分布式IRS辅助无线网络通信系统中，多个IRS协同工作将基站的信息安全有效的传输到合法用户端。在基站的发射信号中增加了人工噪声(AN，Artificial Noise)，用来损害窃听者的信道。这不仅提高了合法用户的接收功率，而且抑制了窃听者的接收功率，从而增强了系统物理层的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法。本发明将多IRS引入到无线系统中，通过联合优化基站的波束形成、人工噪声和IRS相移参数，减弱反射到窃听者的信号并增强反射到合法用户的信号，从而最大化系统总安全率(SSR，System Secrecy Rate)。

为达到上述目的，本发明提供如下一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，该方法包括以下步骤：

S1:构建一种由分布式IRS辅助多输入单输出的无线通信系统，系统由一个多天线基站，K个单天线用户，一个单天线的窃听者以及L个IRS构成，其中每个IRS中含有M个反射单元；

S2:通信场景考虑为直通链路(基站到用户)由于障碍物阻挡或相距较远，基站通过分布式IRS将信息传输给系统中的合法用户；

S3:为了提高系统的安全性，基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声(AN)；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及IRS相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程。基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合优化求解；

S4:给定IRS相移参数，优化主动波束形成、人工噪声优化计算：采用连续凸近似(SCA，Successive Convex Approximation)和半定限松弛(SDR，Semi-definiteRelaxation)来优化基站的主动波束形成、人工噪声；

S5:给定基站的主动波束形成、人工噪声，优化针对IRS相移参数：采用流形优化(MO，Manifold Optimization)或最小-最大化(MM，Minorize-Maximization)算法进行求解。不断交替迭代优化求解收敛。

在所述S1中，包括以下内容:

第k个用户和窃听者的接收信号分别为：

其中，G_r,l表示基站和第l个IRS之间的等效基带通道向量，分别表示IRS与用户k之间以及IRS与窃听者之间的信道向量，/>表示第l个IRS的相移矩阵，其中/>表示第l个IRS的第m个相移。n_k和n_e分别是第k个用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声。基站处发送的信号表示为/>其中w_k和s_k分别为第k个用户的波束形成向量以及用户k的期望信号。z是人工干扰向量用来干扰窃听者。

根据香农公式，第k个合法用户和窃听者的信息速率分别为：

其中，采用单位带宽，/>分别是第k个合法用户和窃听者的噪声功率。

在所述S2中，为提高系统总安全率(SSR，System Secrecy Rate)，提出优化问题：

其中，Z＝zz^H，P_max是基站的最大发射功率。C₁表示基站的最大发射功率约束；C₂表示IRS恒模限制；C₃是人工干扰信息的约束。

在所述S3中，采用交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合，即分为两个子问题：

(1)子问题1：:主动波束形成、人工噪声的优化：

s,t.C₁，C₃，C₄. (6)

其中，

(2)子问题2：:IRS相移参数的优化：

s.t.C₂. (7)

其中，

在所述S4中，针对基站的主动波束形成、人工噪声的优化，固定IRS相移参数，采用连续凸近似(SCA)和半定松弛(SDR)来优化基站的主动波束形成、人工噪声：

采用连续凸近似将问题(6)转化如下：

s.t.C₁,C₃

C₄:Rank(W)≤1. (8)

其中，

Wⁱ和Zⁱ为W和Z的任意可行解。

注意到问题(8)的剩余非凸性源于一级约束C₄。为了解决这个问题，我们通过半定松弛(SDR)技术利用优化工具CVX来消除约束C₄。从而得到最优的W和Z值。

在所述S5中，针对IRS相移参数，固定基站的主动波束形成、人工噪声，)采用流形优化(MO)或最小-最大化(MM)算法进行求解。大幅提高传统的优化算法收敛速度。不断交替迭代直到系统总保密率收敛：

令

将问题(7)转化为：

s.t.C₂. (9)

利用交替优化迭代得到优化解，进一步通过高斯分解得到优化方程的最终解：主动波束形成、人工噪声值以及IRS相移参数。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益技术效果：

1，本发明提供了一种分布式IRS辅助通信系统模型，解决了受高大建筑物阻挡或偏远山区的小区通信问题。

2，提供一种分布式IRS辅助通信系统安全传输方案，解决了非视距场景下安全性通信问题。

3，提供一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法。通过算法优化，获得了较高的系统总保密率。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的算法流程图；

图3为本发明算法与基础算法的安全性收敛比较图；

图4为本发明算法与MM算法的安全性收敛比较图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施做进一步的详细说明：

如图1所示，分布式IRS辅助通信系统包括：一个多天线基站，K个单天线用户，一个单天线窃听者和L个IRS，其中基站含有N_t根天线，每个IRS中含有M个反射单元。采用下行传输方式。设基站与IRS，IRS与用户、窃听者之间的信道系数分别为： 所有信道均服从小尺度莱斯衰落模型。设系统每个信道带宽为单位带宽。第l个IRS的相移矩阵/>其中/>表示第l个IRS的第m个相移。为提高系统总安全率，提出优化问题：

C₃:Z≥0.

其中，分别代表第k个合法用户和窃听者的信息速率，/>w为基站的主动波束形成向量，Z＝zz^H，其中z是人工干扰向量，由基站生成发送用来阻碍窃听者监听。假设系统采用单位带宽，/>分别是第k个用户和窃听者的噪声功率。P_max是基站的最大发射功率。C₁表示基站的最大发射功率约束；C₂表示IRS恒模限制；C₃是人工干扰信息的约束。

由于P是一个非凸表达式，且C₂为单位模量约束。这很难直接使用现有的算法来获得该优化问题的全局最优解。因此采用交替迭代优化该问题，具体思路如下：1)先固定IRS相移参数，采用连续凸近似(SCA)和半有限松弛(SDR)来优化基站的波束形成、人工噪声；2)再固定基站的波束形成、人工噪声，采用流形优化(MO)或最小-最大化(MM)算法进行求解。不断交替迭代1，2直到系统总保密率收敛。

1)先固定IRS相移参数，采用连续凸近似(SCA)和半有限松弛(SDR)来优化基站的波束形成、人工噪声：

在给定相移矩阵Φ_l情况下，原问题可重新描述为：

s.t.C₁，C₃，

C₄:Rank(W)≤1..

其中，W＝ww^H，

采用连续凸近似方法，构造G₁,G₂的全局解：

即对于任何可行点Wⁱ，可微凸函数G₁(W)满足以下不等式：

对于任何可行点Wⁱ、Zⁱ，可微凸函数G₂(W，Z)满足以下不等式：

其中，为G₁的全局解,/>为G₂的全局解。则原问题转化为：

s.t.C₁，C₃，C₄.

注意到该问题的剩余非凸性源于一级约束C₄。为了解决这个问题，我们通过半定松弛(SDR)技术利用优化工具CVX来消除约束C₄。从而得到最优的W和Z值。

2)再固定基站的主动波束形成、人工噪声，采用流形优化(MO)或最小-最大化(MM)算法进行求解。

其中，

为解决该问题，引用定理：E为任意正定矩阵，有以下函数：

其中，δ(Y)＝log|Y|-Tr(YE)+M，M为无关量。Y的最优解可以表示为Y^opt＝E^-1。

由此在问题中先固定Φ_l值，引入变量令/> 将问题转换如下：

其中，在计算出/>值情况下，忽略常数项，简化P₂：

令

在给定值的情况下，进一步将原问题转化为：

s.t.C₂.

采用流形优化(MO)或最小-最大化(MM)算法求解IRS相移参数。利用交替优化迭代得到优化解，进一步通过高斯分解得到优化方程的最终解：主动波束形成、人工噪声值以及IRS相移参数。具体的算法流程如图2。

下面结合仿真对本发明的实际效果做详细的描述。

1)仿真条件

如图1所示，设基站含有4根天线，两个IRS，每个IRS有16个智能反射单元，基站到IRS、IRS到用户、窃听者的路径损耗均为2.2。假设基站坐标为(0,0,0)，IRS1坐标为(300,0,10)、IRS2坐标为(300,20,10)，用户1坐标为(280,0,1.5)、用户2坐标为(300,0,1.5)，窃听者坐标为(320,0,1.5)。

2)仿真结果

在本实施例中，图3，图4分别给出了本发明中采用MO算法布置IRS相移与分布式随机布置IRS相移的收敛性差异、本发明中采用MO算法布置IRS相移与采用MM算法布置IRS相移的收敛性差异，由图3可观测出：当分布式IRS的反射单元数M＝16、64时本发明提出的算法所实现的系统总安全率均优于随机布置IRS相移的系统总安全率。由图4可观测出：当分布式IRS的反射单元数M＝16、64时本发明提出的采用MO算法布置IRS相移与采用MM算法布置IRS相移所实现的系统总安全率的差别不大，且收敛所需迭代次数相近。

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，凡在本发明的精神和原则之内所在的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1:构建一种由分布式IRS辅助多输入单输出的无线通信系统，系统由一个多天线基站，K个单天线用户，一个单天线的窃听者已经L个IRS构成，其中每个IRS中含有M个反射单元；

S2:通信场景考虑为从基站到用户的直通链路，由于障碍物阻挡或相距较远，基站通过分布式IRS将信息传输给系统中的合法用户；

S3:为了提高系统的安全性，基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及IRS相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程，基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合优化求解，为提高系统总安全率，提出优化问题：

C₃:Z≥0.

其中，Z＝zz^H，P_max是基站的最大发射功率，C₁表示基站的最大发射功率约束；C₂表示IRS恒模限制；C₃是人工干扰信息的约束；

采用交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合，即分为两个子问题：

(1)子问题1：:主动波束形成、人工噪声的优化：

s.t.C₁，C₃. (6)

其中，

(2)子问题2：:IRS相移参数的优化：

s.t.C₂. (7)

其中，

S4:给定IRS相移参数，优化主动波束形成、人工噪声优化计算：采用连续凸近似和半定限松弛来优化基站的主动波束形成、人工噪声；

S5:给定基站的主动波束形成、人工噪声，优化针对IRS相移参数：采用流形优化或最小-最大化算法进行求解，不断交替迭代优化求解收敛。

2.根据权利要求1所述的一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于:所述S1中，包括以下内容:

第k个合法用户和窃听者的接收信号分别为：

其中，G_r，l表示基站和第l个IRS之间的等效基带通道向量，分别表示IRS与用户k之间以及IRS与窃听者之间的信道向量，/>表示第l个IRS的相移矩阵，其中/>表示第l个IRS的第m个相移，n_k和n_e分别是第k个用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声，基站处发送的信号表示为/>其中w_k和s_k分别为第k个用户的波束形成向量以及用户k的期望信号，z是人工干扰向量用来干扰窃听者，

根据香农公式，第k个合法用户和窃听者的信息速率分别为：

其中，采用单位带宽，/>分别是第k个合法用户和窃听者的噪声功率。

3.根据权利要求1所述的一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：在所述S4中，针对基站的主动波束形成、人工噪声的优化，固定IRS相移参数，采用连续凸近似(SCA)和半定松弛(SDR)来优化基站的主动波束形成、人工噪声：

采用连续凸近似将问题(6)转化如下：

s.t.C₁,C₃

C₄:Rank(W)≤1. (8)

其中，

和Zⁱ为W和Z的任意可行解。

4.根据权利要求1所述的一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：在所述S5中，针对IRS相移参数，固定基站的主动波束形成、人工噪声，采用流形优化进行求解，大幅提高传统的优化算法收敛速度，不断交替迭代直到系统总保密率收敛：

令

将问题(7)转化为：

s.t.C2.(9)

利用交替优化迭代得到优化解，进一步通过高斯分解得到优化方程的最终解：主动波束形成、人工噪声值以及IRS相移参数。