CN114337851B - 一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置，所述方法包括：建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；假设系统不具备完全的级联信道状态信息，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；使用Bernstein‑type不等式将中断概率约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。本发明将智能超表面和太赫兹通信技术联合起来，研究基于智能反射面辅助的非线性能量采集的太赫兹系统的鲁棒安全传输，通过联合优化发射波束成形矩阵和智能超表面相移矩阵，在满足系统能量采集的条件下，提高通信系统安全性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置。
背景技术
未来无线通信(B5G/6G)旨在建立更高的性能指标，引入新的应用场景，加速社会的数字化。为了满足新兴应用对超高数据速率的要求，太赫兹(THz)无线通信技术受到学术界和工业界的广泛关注。THz可以实现高达1Tbps的无线传输，能够解决目前无线系统频谱不足和容量限制的问题。
最近，智能超表面(RIS)是一种集成了大量无源反射元件的均匀阵列平面，被认为是未来无线通信中最有前途的技术之一。通过调节元件的幅值和相位，巧妙地改变信号的传输方向，有效地增强接收信号的强度。将RIS应用到THz通信中，可以建立一个虚拟直连链路，有效地提高了信号的接收，降低了信号阻断的概率。
未来6G网络设备的大规模接入将不可避免地带来信息安全问题和能量消耗的急剧增加。如何实现高速、低功耗的数据安全传输将成为未来网络的关键。同时无线携能通信(SWIPT)通过提取接收信号中的能量，有效地为各种终端设备提供能量。此外，基于RIS的主动和被动交互传输技术可以保证物理层信息传输的安全性，并提高所期望信号的接收功率。因此，结合SWIPT和RIS辅助THz通信系统考虑物理层安全问题具有重要的理论意义和实用价值。
此外，RIS由无源组件组成，既不能发送也不能接收导频符号。因此，考虑不完全信道状态信息(CSI)更加合理有效，贴切实际。本发明提出RIS辅助的安全SWIPT THz通信系统的鲁棒波束成形设计方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置。
本发明的目的是这样实现的：一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，它包括：
S1：建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
S2：假设系统不具备完全的级联信道状态信息，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；
其中，是AP到第m个IDR的发射波束成形矢量，/>是第m个IDR的信噪比，/>是第k个EHR截获第个IDR信息的信噪比，μmin是IDR所需的最小信噪比，γmin是EHR成功解码信息的最小信噪比阈值，R(pk)是非线性能量采集的最小阈值，/>表示满足约束(1b)、(1c)和(1d)的最大中断概率，RIS的相移矩阵定义为NRIS是RIS的元素个数；
S3：使用Bernstein-type不等式将中断约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个等价的凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
所述的步骤S1具体包括：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDR和K个单天线的EHR，此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息，假设从AP到IDR/EHR的直接链路被障碍物阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
所述的步骤S2具体包括：
由于RIS的无源特性，在实际的SWIPT系统中获得完全的CSI非常困难，因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效，符合实际。在本发明中，采用与信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型，目标是在IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，实现系统总发射最小化。
所述的步骤S3具体包括：
鉴于原优化问题的非凸性，本发明采用Bernstein-type不等式将IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束转化为线性矩阵不等式形式。此外，利用基于半定松弛技术的交替优化方法求得该问题的可行解。
一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置，它包括
模型建立模块，用于建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
方程构造模块，假设级联信道状态信息不完全，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；
其中，是AP到第m个IDR的发射波束成形矢量，/>是第m个IDR的信噪比，/>是第k个EHR截获第m个IDR信息的信噪比，μmin是IDR所需的最小信噪比，γmin是EHR成功解码信息的最小信噪比阈值，R(pk)是非线性能量采集的最小阈值，表示满足约束(2b)、(2c)和(2d)的最大中断概率，RIS的相移矩阵定义为/>NRIS是RIS的反射单元个数。
迭代求解模块，使用Bernstein-type不等式将中断约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个等价的凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
所述的模型建立模块具体包括：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDRs和K个单天线的EHRs。此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息。假设从AP到IDR/EHR的直接链路被障碍物阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
所述的方程构造模块具体包括：
方程构造模块，由于RIS的无源特性，在实际的SWIPT系统中获得完美的CSI非常困难。因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效，符合实际。在本发明中，采用与信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型，目标是在IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，实现系统总发射功率最小化。
所述的迭代求解模块具体包括：
迭代求解模块，鉴于原优化问题的非凸性，本发明采用Bernstein-type不等式将IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束转化为线性矩阵不等式形式。此外，利用基于半定松弛技术的交替优化方法求得该问题的可行解。
附图说明
图1是本发明提供的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法的结构示意图。
图2是基于RIS辅助的THz SWIPT系统模型的结构示意图。
图3示出所提算法在不同信道误差下的迭代变化曲线图；
图4给出总发射功率与所需IDR/HER的目标SNR对比图；
图5示出系统的总发射功率与RIS反射元素的数量的关系曲线图；
图6是本发明提供的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置的结构示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供本发明提供一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置。假设级联信道状态信息不完全，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出了一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统总发射功率最小化。
如图1所示，该方法包括步骤：
S1：建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
S2：假设系统不具备完全的级联信道状态信息，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出了一种鲁棒波束成形设计以最小化系统总发射功率；
S3：使用Bernstein-type不等式将中断概率约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
如图2所示，本实施例所述的方法应用于基于一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统。在本发明中，采用随机相移法进行性能比较，对于统计CSI误差模型，Em的方差矩阵定义为其中/>和/>同样，/>定义为/>其中和/>εm和/>是归一化CSI误差用来测量CSI不确定性的相对量，设置/>对于非线性无线EH模型，设置x＝-28dBm，Z＝24mW，a＝150和b＝0.024。其他仿真参数如表1所示：
表1系统仿真参数
本实施例中，步骤S1具体过程如下：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDR和K个单天线的EHR，此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息，假设从AP到IDR/EHR的直接链路被墙阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
第m个IDR接收信号表示为
其中，表示从RIS到其第m个IDR的等效信道，/>表示从AP到RIS的等效信道，/>是AP到第m个IDR的发射波束成形矢量，/>表示复高斯随机变量独立同分布，/>等于加性高斯白噪声(AWGN)。RIS的相移矩阵定义为
此外，鉴于THz散射功率远低于视线分量，本发明只考虑视线分量
其中，c表示光速，f表示中心频率，τ(f)表示介质吸收因子，d表示AP到RIS的距离。/>将/>和/>分别作为发射机和接收机的天线阵列响应向量，分别为
其中，i＝[r,t]，d0表示天线之间的距离，和φi∈[-π/2,π/2]为出发角(AOD)和到达角(AOA)。同样
其中，和/>dI,m是RIS和到第m个IDR之间的距离。
定义级联AP-RIS-IDRm信道用下式表示
其中，满足/>
定义η为路径补偿因子，根据(2)-(6)，将(1)改写为
ym＝βm(θHGI,mwmsm)+n0,m＝1,...,M, (7)
其中，βm＝ηGtGrq(f,d)q(f,dI,m)。第m个IDR的信噪比为
因此，第k个EHR的接收功率可表示为
其中，ξ采集能量的效率，表示从RIS到第k个EHR的等效信道，与式(5)相似，可得
其中，和dE,k表示RIS与第k个EHR之间的距离。级联信道AP-RIS-EHRk可以表示为
其中，和/>根据(10)和(11)，(9)计算为
为了准确地表征EH，本发明采用了基于实际测量值的非线性EH模型。因此，
EHR收集的能量由下式表示
其中，Z表示最大输出直流功率，a和b是与实际电路规格相关的常数，X和Y分别定义为和/>此外，本发明中EHR可以作为潜在的窃听。
接收到第k个EHR的信噪比
由于RIS的无源特性，在实际的SWIPT系统中获得完美的CSI非常困难。因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效，符合实际。本发明采用信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型。
假设从AP到第m个IDR和从AP到第k个EHR的级联信道都是不完美的，将其可以分别表示为
其中，是第m个IDR的信道估计误差矩阵，同样，/>是第k个EHR的CSI向量，
根据式(15)和式(16)，可以将式(8)和式(14)分别改写为
在本发明中，联合优化发射波束成形矢量，受RIS反射相移的约束，IDR和EHR的最小信噪比要求，实现系统发射功率最小化。将原问题表述为
其中，μmin是IDR的最小信噪比要求和γmin代表成功解码信息的EHR的最小信噪比阈值。分别表示满足约束(19b)、(19c)和(19d)的最大中断概率，pk是最小的能量采集要求。R是R0(pk)的反函数，R(pk)代表
同时满足(19b)和(19c)时，可以确保最小的IDR安全信息速率。由于复杂的概率约束，问题(19)很难求解的非凸问题。因此，应用Bernstein-type不等式将概率约束转换为确定性形式。首先，将(19b)重新定义为
定义通过使用恒等式aHBa＝Tr(BaaH)，把(21)变成
其中，定义/>根据等式把(22)转化为
定义和/>约束条件(19b)转化为
其中，本发明采用下面的引理来处理概率信噪比约束。
引理1：(Bernstein-type不等式)：定义和/>对于任何0<ρ≤1，考虑以下不等式
pr{(eHQe)+2Re(eHr)+χ≥0}≥1-ρ. (25)
将(25)变换为如下形式:
其中，t1和t2都是松弛变量。使用引理1，概率约束(24)可以改写为
其中，和/>是松弛变量。同理，定义和/>约束条件(19c)变为
其中，根据引理1，将(28)改写为
其中，和/>是松弛变量。
定义和/>(19d)转化为
其中，同理，(30)可转化为
其中，和/>是松弛变量。
引入一个新的变量并将问题(19)重写为
s.t(4.27),(4.29),(4.31) (32b)
然而，由于变量Wm和的耦合，问题(32)仍然非凸，难以直接求解。A.给出/>求解波束形成矩阵Wm
使用AO算法得到变量耦合的非凸问题(32)的次优解。当给出时，可以采用SDR技术解决求解变量Wm。去除秩一约束(32d)，问题(32)转化为
s.t.(27),(29),(31),(32c) (33b)
其中，问题(33)可以通过应用凸问题求解器，如CVX工具箱来计算。然而，无法确保得到的解/>满足秩一约束。因此，给出了以下定理来说明所提算法满足秩一约束。
定理1：如果可以用SDR技术，求解问题(33)，则总存在一个可行解定义为满足/>m∈M。
证明:定义为问题(33)的最优解，并定义投影矩阵
其中，此外，构建问题(33)的一个秩一解/>每个子矩阵表示为
比较问题(33)构造的目标值与实际最优解
可得，构造原问题的解所求得到的目标函数的值不大于实际最优解决方案生成的值。然而，在计算上仍难以直接判断/>是否满足(27)。因此，考虑原非凸问题的约束(19b)，根据(33)，可得
结合(37)与(38)，可得
根据(36)和(39)，检查是问题(33)的一个秩为一的局部最优解。B.求解RIS的反射相移矩阵
当从问题(33)中求解出问题(32)变成一个可行性检验问题。然而，由于约束/>反射矩阵/>很难通过CVX直接进行求解。利用SDR技术，去除了约束(32g)，通过下面的问题可以得到RIS的相移
s.t.(27),(29),(31),(32e),(32f). (40b)
应用CVX工具箱可求得问题(34)的局部最优解。由于从问题(40)中去掉了(32g)，使用特征值分解所得解不能保证是秩为一。因此，利用标准高斯随机化方法恢复问题(40)的高质量秩一解。
由上述技术方案可知，本发明提供一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，通过引入统计CSI误差模型，研究一种联合发射波束成形和相移矩阵设计方案，实现系统发射功率最小化。
图3给出了当μmin＝4和γmin＝1时，在不同信道不确定性条件下，本发明所提方法相对于系统总发射功率的收敛性能。从结果可以看出，在不同信道误差参数下，所提算法的收敛速度都比较快，且收敛速度不会随着估计误差的增加而改变。
图4给出在不同数目发射天线下两种不同方法的性能与IDR/EHR的信噪比的对比关系。(a)和(b)两种情况下，发射功率均随信噪比的增加而单调增加。在发射天线数相同的情况下，优化后的RIS相移方案所需的发射功率明显低于随机相移方案。此外，更多的发射天线使接收机更容易带来鲁棒波束成形增益，并能带来更多的空间自由度以降低功耗。
图5给出反射单元个数对发射总功率的影响。显然，本发明实施例提供的方法优于其他基准方案，随着反射元件数量的增加，对总发射功率的要求越来越小。系统获取空间自由度和分集增益也随着RIS反射单元数目的增加逐渐变大，从而实现更高的波束成形增益。
图6是本发明提供的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置的结构示意图；
模型建立模块，用于建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
方程构造模块，假设级联信道状态信息不完全，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；
其中，是AP到第m个IDR的发射波束成形矢量，/>是第m个IDR的信噪比，/>是第k个EHR截获第m个IDR信息的信噪比，μmin是IDR所需的最小信噪比，γmin是EHR成功解码信息的最小信噪比阈值，R(pk)是非线性能量采集的最小阈值，表示满足约束(2b)、(2c)和(2d)的最大中断概率，RIS的相移矩阵定义为/>NRIS是RIS的反射单元个数。
迭代求解模块，使用Bernstein-type不等式将中断概率约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
本实施例中，所述的模型建立模块具体包括：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDRs和K个单天线的EHRs。此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息。假设从AP到IDR/EHR的直接链路被障碍物阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
本实施例中，所述的方程构造模块具体包括：
方程构造模块，由于RIS的无源特性，在实际的SWIPT系统中获得完美的CSI非常困难。因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效。在本发明中，采用与信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型，目标是在IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，实现系统总发射功率最小化。
本实施例中，所述的迭代求解模块具体包括：
迭代求解模块，鉴于原优化问题的非凸性，本发明采用Bernstein-type不等式将IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束转化为线性矩阵不等式形式。此外，利用基于半定松弛技术的交替优化方法求得该问题的可行解。
Claims (8)
1.一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，其特征在于，包括:
S1：建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
S2：假设系统不具备完全的级联信道状态信息，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；
其中，是多天线接入点(AP)到第m个信息解码器(IDR)的发射波束成形矢量，/>是第m个IDR的信噪比，/>是第k个能量采集器(EHR)截获第m个IDR信息的信噪比，μmin是IDR所需的最小信噪比，γmin是EHR成功解码信息的最小信噪比阈值，R(pk)是非线性能量采集的最小阈值，/>表示满足约束(1b)、(1c)和(1d)的最大中断概率，RIS的相移矩阵定义为/>NRIS是RIS的反射单元个数；
S3：使用Bernstein-type不等式将中断概率约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
2.根据权利要求1所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDR和K个单天线的HER；此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息，假设从AP到IDR/EHR的直接链路被障碍物阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
3.根据权利要求1所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
由于RIS的无源特性，在实际的无线携能通信(SWIPT)系统中获得完全的信CSI非常困难，因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效；在本发明中，采用与信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型，目标是在IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，实现系统总发射最小化。
4.根据权利要求1所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
鉴于原优化问题的非凸性，本发明采用Bernstein-type不等式将IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束转化为线性矩阵不等式形式；此外，利用基于半定松弛技术的交替优化方法求得该问题的可行解。
5.一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立非线性能量收集模型下智能超表面辅助的太赫兹无线携能传输的安全通信系统模型；
方程构造模块，假设级联信道状态信息不完全，在中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，提出一种鲁棒波束成形设计方案，实现系统发射功率最小化；
其中，是AP到第m个IDR的发射波束成形矢量，/>是第m个IDR的信噪比，是第k个EHR截获第m个IDR信息的信噪比，μmin是IDR所需的最小信噪比，γmin是EHR成功解码信息的最小信噪比阈值，R(pk)是非线性能量采集的最小阈值，/>表示满足约束(2b)、(2c)和(2d)的最大中断概率，RIS的相移矩阵定义为NRIS是RIS的反射单元个数；
迭代求解模块，使用Bernstein-type不等式将中断概率约束转换为确定性形式，应用半定规划方法将原非凸问题转化为一个凸问题，提出一种交替迭代优化算法，得到原问题的一个可行解。
6.根据权利要求5中所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置，其特征在于，所述模型建立模块具体包括：
建立一个基于RIS辅助的THz安全SWIPT系统，该系统包括一个NTX根天线的AP，一个配置NRIS个反射单元的RIS，M个单天线的IDR和K个单天线的EHR，此外，控制器与RIS和AP连接，以获取RIS所需的相位信息，假设从AP到IDR/EHR的直接链路被障碍物阻断，所有接收器只能接收RIS的反射信号。
7.根据权利要求5中所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置，其特征在于，所述方程构造模块具体包括：
方程构造模块，由于RIS的无源特性，在实际的SWIPT系统中获得完美的CSI非常困难，因此，在级联信道AP-RIS-IDR/EHR中，考虑不完全CSI更加合理有效；在本发明中，采用与信道估计误差关系更密切的统计CSI误差模型，目标是在IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束下，通过联合优化主被动波束成形，实现系统总发射功率最小化。
8.根据权利要求5中所述的一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信装置，其特征在于，所述迭代求解模块具体包括：
迭代求解模块，鉴于原优化问题的非凸性，本发明采用Bernstein-type不等式将IDR，EHR的信噪比和非线性能量采集的中断概率约束转化为线性矩阵不等式形式，此外，利用基于半定松弛技术的交替优化方法求得该问题的可行解。
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| CN202111570597.XA CN114337851B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 一种智能超表面辅助的太赫兹安全通信方法和装置 |
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Patent Citations (1)
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| Title |
|---|
| Tunable terahertz radiation from graphene surface plasmon polaritons excited by parallel moving electron beam;Min Hu;2015 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz);全文 * |
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