CN114585005A - 一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法，属于无线通信网络信息安全技术领域。该方法在无线赋能通信网络中加入智能反射面以提升系统的安全性能。在无线赋能通信网络中，具有能量收集功能的干扰器将整个通信过程分为两个阶段，以时间转换因子隔开。在第一阶段，本发明通过优化智能反射面的相移矩阵最大化干扰器收集的能量；在第二阶段，本发明提供一种联合优化智能反射面的相移矩阵和时间转换因子的设计方法以最大化通信系统的安全速率。本发明通过将智能反射面与能量收集干扰器结合，通过设计适当的算法使两者最大程度上发挥各自作用以共同协作实现安全通信的目的。

Description

一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法

技术领域

本发明属于无线通信网络信息安全技术领域，涉及一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法。

背景技术

由于无线通信通过电磁信号进行信息传播，且空中接口对所有用户都是开放的，这使得非法用户也可以获取信息，从而无线信号在面对恶意攻击时更容易被窃听、干扰和篡改。因此，在存在恶意窃听用户的无线通信系统中，确保信息安全可靠地传输是当今无线通信领域亟需解决的问题。传统无线通信系统中，信息的安全可靠传输主要依靠上层的加密算法来实现，然而伴随着科学技术的快速发展，加密算法的可靠性和安全性已经难以满足通信系统的需要，一方面是由于计算机计算能力的不断提升，基于数学理论的加密算法很大程度上会被暴力破解，从而造成加密信息的泄露，信息的安全性无法得到保障；另一方面传统的密钥交换加密方法需要一个可靠的密钥管理中心，而这在无线网络中并不一定完全适用。此时，物理层安全作为一种新的保密通信技术得到了广泛关注。物理层安全在信息论的基础上充分利用无线信道固有的物理属性，经过适当的编码和信号处理，从物理层为保密通信提供帮助，降低信息泄露的风险。物理层安全技术常用的一种方法是添加人工噪声，在对合法接收者不产生影响的情况下对恶意窃听者进行干扰。

由于上行链路中通信系统设备结构简单且功率受限，因此没有足够的空间自由度或功率去发射人工噪声。为了提高上行链路中的安全性能，可以引入协作干扰技术辅助通信网络的信息传输。协作干扰技术利用一个协作节点作为友好干扰器(Jammer)来发射人工噪声干扰窃听。在实际通信网络中，传统的网络节点通过电池或者外界的可再生能源，如太阳能、风能等获取能量，但这些能量是有限且不可控的。为了解决这一问题，无线赋能技术受到了广泛的关注，即通过使用无线赋能技术将无源的干扰器变成具有能量收集功能的干扰器(Energy harvesting Jammer，EH Jammer)，从而延长干扰器的寿命来干扰恶意窃听者，以达到提升通信系统安全性能的作用。

得益于射频和超表面等技术的快速发展，拥有低成本、低功耗、易部署等优点的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)引起了学者们的广泛关注。智能反射面由一个大量低成本无源反射元件组成的二维平面阵列表面和一个与之相连的智能控制器构成，平面阵列中每一个元件都可以独立地调控入射信号的幅度和相位，从而智能地控制反射信号，以达到定向增强或削弱信号强度的作用。因此在智能反射面辅助的无线通信系统中，部署智能反射面可以加强合法接收端信号强度的同时抵消窃听信号以减少信息的泄露。

在本发明中，提出一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信新方法，通过在通信系统中部署智能反射面和具有能量收集作用的协作干扰器来增强合法信道质量并抑制窃听信道质量，从而提升通信系统的安全性。

发明内容

本发明提供了一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法。在无线赋能通信网络中加入智能反射面以提升系统的安全性能，具体方案如示意图1所示。在无线赋能通信网络中，具有能量收集功能的干扰器将整个通信过程分为两个阶段，以时间转换因子隔开。在第一阶段，本发明通过优化智能反射面的相移矩阵最大化干扰器收集的能量；在第二阶段，本发明提供一种联合优化智能反射面的相移矩阵和时间转换因子的设计方法以最大化通信系统的安全速率。本发明通过将智能反射面与具有能量收集功能的干扰器结合，可以有效的实现提升通信系统安全性，达到保护通信安全的作用。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法，本发明引入智能反射面以提升通信系统的物理层安全。此外，引入人工噪声也是提升物理层安全的有效方法之一，然而上行链路中设备的结构简单且功率受限，故本发明引入的具有能量收集功能的干扰器可以有效解决此问题。本发明将智能反射面与能量收集干扰器结合，通过设计适当的算法使两者最大程度上发挥各自作用以共同协作实现安全通信的目的，具体包括以下步骤：

第一步，构建系统模型，设置模型参数

1)上行通信网络由一个含有N个反射元件的智能反射面(IRS)、一个配有M个天线的能量收集干扰器(Jammer)以及配有单天线的基站(BS)、用户(User)和恶意窃听用户(Eve)组成。Jammer将时间周期T分为两个阶段，以时间转换因子α隔开。IRS在两阶段分别对入射信号进行智能地调整和反射，从而使接收节点同时收到直接链路信号和IRS的反射链路信号。在第一阶段αT内，BS向Jammer传输能量信号；在剩余的(1-α)T内，User向BS传输机密信息，同时存在一个Eve试图干扰合法信息的传输；为了提升系统的安全性，Jammer在此阶段利用上一阶段收集的能量同时向BS和Eve发射人工噪声。

2)设置Jammer，BS和Eve端的加性高斯白噪声为

即服从均值为零，方差为σ²的复高斯分布，系统中节点A至节点B的距离为d_AB。在本发明中，首先假设信道采用准静态平坦衰落信道模型且所有信道状态是完美已知的，其次假设BS-Jammer为视距(Line-of-Sight,LoS)信道，对应的损耗指数为a_bj，信道增益为h_bj；方案中其余直接链路(User-BS，User-Eve，Jammer-Eve)为瑞利衰落信道，对应的损耗指数为a_d，信道增益分别为h_ub,h_ue,h_je；另外，经过IRS的反射链路(BS-IRS，User-IRS，IRS-Eve，IRS-Jammer)为莱斯信道，对应损耗指数记为a_r，信道增益分别记为h_br,h_ur,h_re,H_rj。LoS信道、瑞利信道和莱斯信道对应的信道模型分别为：

其中，K为莱斯因子，L₀表示单位长度的路径损耗；h_je，H_rj的产生也分别遵循式(2)和式(3)。

为BS与Jammer间的视距路径分量；

分别代表BS与IRS，User与IRS，IRS与Eve间的视距路径分量；

代表User分别与BS和Eve间的非视距路径分量(None-Line-of-Sight,NLoS)；

分别代表BS与IRS，User与IRS，IRS与Eve间的非视距路径分量。

3)假设IRS是一个具有N个反射元件的方阵，可以独立地对两阶段的入射信号进行智能的反射以达到相应目的。IRS在两阶段的对角相移矩阵可以分别表示为

和

其中θ_1,n∈[0,2π)和θ_2,n∈[0,2π)分别表示IRS第n个反射单元在两阶段的反射相移；diag(x)指以向量x为主对角元素组成的对角矩阵。令

则利用v₁＝[v_1,1,…,v_1,n,…,v_1,N]和v₂＝[v_2,1,…,v_2,n,…,v_2,N]可以将对角相移矩阵表示为Φ₁＝diag(v₁)和Φ₂＝diag(v₂)，且对角相移矩阵满足|v_1,n|＝1,n＝1,…,N和|v_2,n|＝1,n＝1,…,N的限制。

第二步：描述通信过程，列出优化问题

1)第一阶段(能量传输阶段)：为了解决上行链路功率受限问题，本发明引入了具有能量收集功能的干扰器，干扰器通过从发射节点收集能量的方式满足自身的能量供应。同时，本发明引入智能反射面在此阶段帮助干扰器尽可能多地收集能量。在能量传输阶段，BS通过直接链路和IRS反射链路向Jammer发射能量信号，BS的发射功率为P_b，发射的能量信号为x_b且信号满足E[|x_b|²]＝1。Jammer端的接收信号可以表示为

其中接收合并向量

是利用最大比合并原则在Jammer端设计的M*1维向量。Jammer的能量收集效率记为η(0＜η＜1)，持续时间为αT，则收集到的能量为

在剩余的(1-α)T内，Jammer利用前一阶段收集的能量向User和Eve发送干扰信号，则Jammer在信息传输阶段的发射功率为：

在能量传输阶段，本发明通过优化IRS的反射相移矩阵以最大化Jammer端的收集能量，为下一阶段Jammer传输人工噪声提供能量，因

则该阶段的优化问题可以表示为：

(P1):

s.t.|v_1,n|＝1,n＝1,…,N. (8)

2)第二阶段(信息传输阶段)：为了提升通信系统的安全性，本发明在第二阶段一方面利用智能反射面增强合法信号强度，削弱窃听信号强度，另一方面利用干扰器发射人工噪声干扰窃听信号，两者共同作用以最大化系统的安全速率。在信息传输阶段，User发射功率为P_u，User和Jammer的发射信号为x_r(r∈{u,j})且信号满足E[|x_r|²]＝1。BS和Eve都可以分别接收到来自User和Jammer的发射信号，相应的接收信号可以表示为：

为了阻止Jammer发射的人工噪声对BS的合法信息传输产生影响，设计预编码向量w_J满足

因此

其中

w₀是一个M维的任意矢量。此时Jammer发射的人工噪声可以实现只干扰Eve而不对合法传输产生影响，BS和Eve处的信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)为

令

则BS和Eve的SINR分别可以转化为

令

则

因此w_J也可以用

G_BJ表示。

在信息传输阶段，通过联合优化IRS的反射相移矩阵和时间转换因子最大化系统的安全速率，因此该阶段的优化问题可以表示为：

(P2):

s.t.|v_2,n|＝1,n＝1,…,N, (16)

0≤α≤1, (17)

其中安全速率C_s＝(1-α)[log₂(1+γ_B)-log₂(1+γ_E)]⁺为主信道与窃听信道容量之差，[x]⁺＝max(x,0)。式(16)代表IRS反射相移矩阵的单位模值限制，式(17)表示时间转换因子的取值限制，应在0到1范围内。

第三步：简化优化问题，设计算法求解问题

1)第一阶段优化问题(P1)：由于范数满足三角不等式，则目标函数满足

因此优化问题的最优值在不等式上界即

处取得，最优解

∠(x)表示取x的相移部分。此时IRS最优相移矩阵可以得到：Φ₁＝diag(v₁)。

2)第二阶段优化问题(P2)：对于第二步中信息传输阶段的优化问题(P2)，由于其目标函数非凸且包含两个待优化变量，本发明将原优化问题(P2)分解成两个子问题，通过固定其中一个变量优化另一变量的方式分别进行优化求解，最后再使用交替优化技术设计高效的迭代算法求得原优化问题(P2)的最优解。

子问题一：固定时间转换因子α，优化IRS反射相移矩阵Φ₂

令

则有

由于

具有秩为1这一非凸限制，因此使用半正定松弛(SDR)将此限制条件去掉，在α已知的情况下，原优化问题(P2)可以转换成下述优化问题(P3)：

(P3):

该问题目标函数仍然非凸，引入非负变量t_e，令

给定一个凸函数

则由推导可知，当

时有

α固定已知，ln2为常数，忽略α和ln2，优化问题(P3)可以转化为：

(P4):

t_e＞0 (24)

由于目标函数

关于

和t_e都是凸函数，问题(P4)可以通过交替优化

和t_e求解，又因每次迭代中t_e最优解已知，因此利用凸优化工具箱，例如CVX，可以求得每次迭代中

最优解。优化问题(P4)交替迭代直至目标函数收敛得到

最终的最优解。若

为秩一矩阵，则可以通过特征值分解得到

否则，利用高斯随机化取得一个近似解。从

提取

后，IRS第二阶段的反射相移系数为

此时可以得到最优反射相移矩阵Φ₂＝diag(v₂)。

子问题二：固定IRS反射相移矩阵Φ₂，优化时间转换因子α

令t₁＝α,t₂＝1-α，则在已知IRS反射相移矩阵时可以将C_s表示为关于t＝[t₁,t₂]的函数：

其中

推导可知C_s仍是关于t的非凸函数。令式(25)中的非凸项

利用线性逼近方法，例如一阶泰勒展开，将此项转换为凸函数。假设在某一固定点

处进行泰勒展开，则此时

其中

原优化问题可以表示为

(P5):

s.t.t₁+t₂≤1, (27)

0≤t₁,t₂≤1. (28)

此时式(27)为仿射函数，优化问题(P5)为凸优化问题且可以证明满足Slater条件，可以利用拉格朗日对偶法进行求解。(P5)的拉格朗日对偶函数可以表示为

其中λ为与限制条件(27)有关的拉格朗日乘子，因此(P5)的对偶问题可以表述为

通过解决上式对偶问题即可得到t的最优解。由于凸优化问题(P5)满足KKT条件，则有

可得

的最优解为与λ^*有关的表达式。因此对于该对偶问题，若给出一个λ，则通过交替优化

和

即可得到最优解，问题转换为求解最优值λ^*，对于已知的

和

需满足条件

因此有以下优化问题：

(P6):findλ^* (31)

λ≥(E-F)⁺, (33)

其中，式(33)和式(34)由t₁和t₂为非负值推导而来。因此在给定一组

和

时，可以使用二分法寻找λ的最优解，若可以找到最优解，则对

和

进行下一次迭代更新，若未能找到最优解，为了最大化安全速率，直接令

在每次迭代获得λ^*，

和

后更新泰勒展开点

即令

对偶优化问题(30)对λ，t₁和t₂交替迭代直至收敛获得最优值

和

此时有最优解α＝t₁。总的来说，给定一个IRS反射相移矩阵Φ₂，在每次迭代中交替寻找t₁，t₂和λ的最优解，最终通过多次迭代使安全速率收敛于一固定值，此时可以获得t₁，t₂和λ的全局最优解。由于t₁＝α，即得到了时间转换因子α的最优解，α的最优解等于迭代收敛后的t₁值。

本发明总体迭代优化算法：在信息传输阶段，在完成对两个子问题的优化求解后，本发明提出了一种高效的交替迭代算法对IRS的反射相移矩阵和时间转换因子进行迭代优化，以达到最大化系统的安全速率的目的。在每次迭代过程中，首先固定时间转换因子通过子问题一优化IRS的反射相移矩阵，再固定IRS的反射相移矩阵通过子问题二优化时间转换因子，最后对两个优化变量进行交替迭代直至达到收敛，此时可以获得IRS的反射相移矩阵和时间转换因子的最优值以及系统的安全速率。

本发明的有益效果是

本发明给出通信系统中基站、友好干扰器、智能反射面、用户以及窃听用户的具体位置，通过合理设计智能反射面在通信过程中两阶段的反射相移矩阵、时间转换因子以实现第一阶段干扰器能量收集最大化、第二阶段通信系统安全速率最大化的部署方案。本发明一方面建立了智能反射面辅助的无线赋能通信系统的信息传输链路，另一方面利用物理层安全引入人工噪声，提高了通信系统的安全性，为通信网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。

附图说明

图1是智能反射面辅助的无线赋能通信系统图

图2是不同IRS元素个数下本发明方案与基准方案的安全速率对比图

图3是不同IRS元素个数下本发明方案与基准方案的时间转换因子对比图

图4是本发明提出的IRS反射相移矩阵优化算法、基站发射功率对安全速率的影响图

图5是本发明提出的时间转换因子优化算法对安全速率的影响图

图6是本发明提出的交替迭代算法的收敛图

图7是不同用户发射功率、不同IRS反射元素下安全速率、时间转换因子的对比图

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

在本发明中，提出一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法，具体方案示意图见图1。为了更好的理解上述技术方案，以下结合附图以及具体的实施方式，给出具体分析。

一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法，该方法引入能量收集干扰器，将每次信息传输分成两个阶段，在第一阶段通过优化智能反射面的反射相移Φ₁来最大化Jammer端收集的能量；在第二阶段联合优化IRS的反射相移Φ₂和时间转换因子α来最大化信息传输的安全速率，以提升通信系统的安全性。具体步骤如下：

第一步，首先为本发明所构建的系统模型参数进行以下具体设置：

1)给出一组通信系统中各节点的坐标设置：BS(5,0,0)，IRS(4,0,5)，User(15,10,0)，Eve(5,15,0)，Jammer(5,5,0)。

2)一些固定的参数设置：Jammer的天线个数M＝2，莱斯因子K＝3dB，L₀＝-30dB，σ²＝-110dB，η＝0.5，∈＝10^-2，a_d＝3.6，a_r＝2.2，a_bj＝2。

3)设置BS的发射功率P_b＝40dBm，User的发射功率P_u＝20dBm

接下来对引入能量收集干扰器和智能反射面对安全性能产生的影响进行分析：

首先，图2设置了一组对照节点坐标，对照组中User(0,10,0)和Eve(15,5,0)与初始坐标设置不同，其余坐标设置相同。设初始坐标设置为Case1:d_ue＞d_ub，代表用户与窃听用户的距离更近；对照组坐标设置为Case2:d_ue＜d_ub，代表用户与合法接收端BS的距离更近。设IRS的元素N按照9，16，25，36，49，64，81顺序递增，实验结果表明，在Case1情况，即合法传输信道质量比窃听信道质量更差的情况下，信息的传输安全更具挑战，但借助IRS的智能反射仍然可以有效的抑制窃听信号，提升通信系统安全性。此外，为了检验本发明方案对通信安全的提升效果，分别设置了“仅使用IRS”，“仅使用Jammer”两种对比方案，实验结果显示本发明的“Jammer+IRS”方案对于提升安全性能的效果明显优于对比方案，验证了Jammer和IRS的结合可以更好的提升通信安全。

接下来，图3给出了本发明所提出的“Jammer+IRS”方案与对照方案“仅使用Jammer”随IRS元素增加对时间转换因子的影响。设IRS的元素N按照9，16，25，36，49，64，81依次递增，实验结果显示，IRS的加入帮助Jammer更快的收集能量，第一阶段用时减少，因此“Jammer+IRS”方案的时间转换因子始终小于“仅使用Jammer”方案。此外，图3显示，随着IRS元素N增加，反射面的反射能力不断增强，时间转换因子持续下降，更多的时间被分配用来进行第二阶段的信息传输。图3结果证明了IRS可以帮助Jammer提高能量收集效率，增大信息传输时间，提高安全速率。

第二步，根据建立的通信过程列出优化问题，分析变量优化对安全性能的提升效果：

首先，图4一方面展示了安全速率与基站发射功率P_b的关系，基站发射功率P_b取20dBm，25dBm，30dBm，35dBm，40dBm，安全速率随之增加。实验结果表明基站发射功率P_b的增加可以帮助Jammer收集到更多的能量以抑制窃听，从而提升通信系统的安全性。另一方面，本发明设置了“对IRS的反射相移矩阵采用随机取值方式”这一对照实验，可以发现随机赋值的IRS相移对提升通信安全性不起作用，而本发明所提出的优化IRS反射相移矩阵的高效算法可以有效提升通信安全，验证了本发明所提出的IRS相移优化方案可以实现对安全性能的提升。

其次，图5证明了本发明所提出的优化时间转换因子的算法可以有效提升安全速率。本发明设置了使用固定时间转换因子的对照实验，优化α方案与α分别取0.2，0.5，0.6所得安全速率对比，结果显示优化α方案可以有效提升通信系统的安全性。此外，图5显示在IRS反射元素个数N较小时，α取0.2与优化α方案所得安全速率值相差不大，这表明此时时间转换因子α的最优取值接近0.2，而随着N增加，IRS反射能力增强，最优α取值随之减小，与0.2差距增大，因此随着N的增加，与优化α方案相比，α＝0.2的安全速率增长缓慢。

第三步，为优化问题设计算法，对本发明所提出方案及其算法性能进行分析：

本发明提出的总体交替迭代算法的收敛性如图6所示，实验随机记录了四次迭代优化过程中安全速率随迭代次数的变化趋势，实验结果显示，安全速率在迭代3次左右已经达到收敛，证明了本发明提出的交替迭代算法的收敛速度很快，算法收敛性能良好。

图7使用本发明所提出的算法，分析系统参数对安全速率的影响。图7比较了不同用户发射功率、不同IRS元素个数下的安全速率和时间转换因子的变化。设置用户发射功率P_u取-10dBm，-5dBm，0dBm，5dBm，10dBm，15dBm和20dBm，实验结果显示随用户发射功率P_u增加，第二阶段传输合法信息能力增强，安全速率随之增加；但同时用户发射功率增加也伴随着机密信息泄露的风险增大，因此时间转换因子增大，更多时间被分配用来增加对干扰能量的收集，从而更好地对抗恶意窃听。此外，图7对比了IRS元素个数N取16，25，36时的安全容量和时间转换因子的变化，可以看到随着IRS元素N的增加，反射能力增强，一方面安全速率随之增加，另一方面可以更好地帮助Jammer收集能量，第一阶段花费时间减少，时间转换因子减小。

Claims (1)

1.一种智能反射面辅助的无线赋能安全通信方法，其特征在于，所述通信方法将智能反射面与能量收集干扰器结合，算法使两者最大程度上发挥各自作用以共同协作实现安全通信的目的，具体包括以下步骤：

第一步，构建系统模型，设置模型参数

1)上行通信网络包括一个含有N个反射元件的智能反射面IRS、一个配有M个天线的能量收集干扰器Jammer以及配有单天线的基站BS、用户User和恶意窃听用户Eve；Jammer将时间周期T分为两个阶段，以时间转换因子α隔开；IRS在两阶段分别对入射信号进行智能地调整和反射，使接收节点同时收到直接链路信号和IRS的反射链路信号；在第一阶段αT内，BS向Jammer传输能量信号；在剩余的(1-α)T内，User向BS传输机密信息，同时存在一个Eve试图干扰合法信息的传输；为了提升系统的安全性，Jammer在此阶段利用上一阶段收集的能量同时向BS和Eve发射人工噪声；

2)设置Jammer，BS和Eve端的加性高斯白噪声为

系统中节点A至节点B的距离为d_AB；首先假设信道采用准静态平坦衰落信道模型且所有信道状态是完美已知的，其次假设BS-Jammer为视距Line-of-Sight,LoS信道，对应的损耗指数为a_bj，信道增益为h_bj；其余直接链路User-BS、User-Eve、Jammer-Eve为瑞利衰落信道，对应的损耗指数为a_d，信道增益分别为h_ub,h_ue,h_je；另外，经过IRS的反射链路BS-IRS、User-IRS、IRS-Eve、IRS-Jammer为莱斯信道，对应损耗指数记为a_r，信道增益分别记为h_br,h_ur,h_re,H_rj；LoS信道、瑞利信道和莱斯信道对应的信道模型分别为：

其中，K为莱斯因子，L₀表示单位长度的路径损耗；h_je，H_rj的产生也分别遵循式(2)和式(3)；

为BS与Jammer间的视距路径分量；

g∈{br,ur,re}分别代表BS与IRS，User与IRS，IRS与Eve间的视距路径分量；

f∈{b,e}代表User分别与BS和Eve间的非视距路径分量NLoS；

g∈{br,ur,re}分别代表BS与IRS，User与IRS，IRS与Eve间的非视距路径分量；

3)假设IRS是一个具有N个反射元件的方阵，可以独立地对两阶段的入射信号进行智能的反射以达到相应目的；IRS在两阶段的对角相移矩阵可以分别表示为

和

其中θ_1,n∈[0,2π)和θ_2,n∈[0,2π)分别表示IRS第n个反射单元在两阶段的反射相移；diag(x)指以向量x为主对角元素组成的对角矩阵；令

则利用v₁＝[v_1,1,…,v_1,n,…,v_1,N]和v₂＝[v_2,1,…,v_2,n,...,v_2,N]可以将对角相移矩阵表示为Φ₁＝diag(v₁)和Φ₂＝diag(v₂)，且对角相移矩阵满足|v_1,n|＝1,n＝1,…,N和|v_2,n|＝1,n＝1,…,N的限制；

第二步：描述通信过程，列出优化问题

1)第一阶段，能量传输阶段：为了解决上行链路功率受限问题，引入具有能量收集功能的干扰器，干扰器通过从发射节点收集能量的方式满足自身的能量供应；同时，引入智能反射面在此阶段帮助干扰器收集能量；在能量传输阶段，BS通过直接链路和IRS反射链路向Jammer发射能量信号，BS的发射功率为P_b，发射的能量信号为x_b且信号满足E[|x_b|²]＝1；Jammer端的接收信号可以表示为：

其中，接收合并向量

是利用最大比合并原则在Jammer端设计的M*1维向量；Jammer的能量收集效率记为η(0＜η＜1)，持续时间为αT，则收集到的能量为：

在剩余的(1-α)T内，Jammer利用前一阶段收集的能量向User和Eve发送干扰信号，则Jammer在信息传输阶段的发射功率为：

在能量传输阶段，通过优化IRS的反射相移矩阵以最大化Jammer端的收集能量，为下一阶段Jammer传输人工噪声提供能量，因

则该阶段的优化问题可以表示为：

(P1):

s.t.|v_1,n|＝1,n＝1,…,N. (8)

2)第二阶段，信息传输阶段：为了提升通信系统的安全性，在第二阶段一方面利用智能反射面增强合法信号强度，削弱窃听信号强度，另一方面利用干扰器发射人工噪声干扰窃听信号，两者共同作用以最大化系统的安全速率；在信息传输阶段，User发射功率为P_u，User和Jammer的发射信号为x_r(r∈{u,j})且信号满足E[|x_r|²]＝1；BS和Eve都可以分别接收到来自User和Jammer的发射信号，相应的接收信号可以表示为：

为了阻止Jammer发射的人工噪声对BS的合法信息传输产生影响，设计预编码向量w_J满足

因此

其中

w₀是一个M维的任意矢量；此时Jammer发射的人工噪声可以实现只干扰Eve而不对合法传输产生影响，得到BS和Eve处的信干噪比SINR，分别为γ_B、γ_E；

在信息传输阶段，通过联合优化IRS的反射相移矩阵和时间转换因子最大化系统的安全速率，因此该阶段的优化问题可以表示为：

(P2):

s.t.|v_2,n|＝1,n＝1,…,N, (16)

0≤α≤1, (17)

其中，安全速率C_s＝(1-α)[log₂(1+γ_B)-log₂(1+γ_E)]⁺为主信道与窃听信道容量之差，[x]⁺＝max(x,0)；式(16)代表IRS反射相移矩阵的单位模值限制，式(17)表示时间转换因子的取值限制，应在0到1范围内；

第三步：简化优化问题，设计算法求解问题

1)第一阶段优化问题(P1)：由于范数满足三角不等式，则目标函数满足：

因此，优化问题的最优值在不等式上界即

处取得，最优解

∠(x)表示取x的相移部分；此时IRS最优相移矩阵可以得到：

2)第二阶段优化问题(P2)：优化问题(P2)的目标函数非凸且包含两个待优化变量，因此将原优化问题分解成两个子问题，通过固定其中一个变量优化另一变量的方式分别进行优化求解，最后再使用交替优化技术设计高效的迭代算法求得原优化问题(P2)的最优解；

子问题一：固定时间转换因子α，优化IRS反射相移矩阵Φ₂

令

则有

由于

具有秩为1这一非凸限制，因此使用半正定松弛(SDR)将此限制条件去掉，在α已知的情况下，优化问题表示为：

(P3):

s.t.

将优化问题转化为：

(P4):

s.t.

t_e＞0 (24)

由于目标函数

关于

和t_e都是凸函数，问题(P4)可以通过交替优化

和t_e求解，又因每次迭代中t_e最优解已知，因此利用凸优化工具箱可以求得每次迭代中

最优解；优化问题(P4)交替迭代直至目标函数收敛得到

最终的最优解；若

为秩一矩阵，则可以通过特征值分解得到

否则，利用高斯随机化取得一个近似解；从

提取

后，IRS第二阶段的反射相移系数为

此时可以得到最优反射相移矩阵

子问题二：固定IRS反射相移矩阵Φ₂，优化时间转换因子α

令t₁＝α,t₂＝1-α，则在已知IRS反射相移矩阵时可以将C_s表示为关于t＝[t₁,t₂]的函数：

其中，

原优化问题表示为：

(P5):

s.t.t₁+t₂≤1, (27)

0≤t₁,t₂≤1. (28)

利用拉格朗日对偶法进行求解，(P5)的拉格朗日对偶函数可以表示为：

其中，λ为与限制条件(27)有关的拉格朗日乘子，因此(P5)的对偶问题可以表示为：

通过解决上式对偶问题即可得到t的最优解；由于凸优化问题(P5)满足KKT条件，则有

可得

的最优解为与λ^*有关的表达式；因此对于该对偶问题，若给出一个λ，则通过交替优化

和

即可得到最优解，问题转换为求解最优值λ^*，对于已知的

和

需满足条件

因此有以下优化问题：

(P6):findλ^* (31)

s.t.

λ≥(E-F)⁺, (33)

其中，式(33)和式(34)由t₁和t₂为非负值推导而来；因此在给定一组

和

时，可以使用二分法寻找λ的最优解，若可以找到最优解，则对

和

进行下一次迭代更新，若未能找到最优解，为了最大化安全速率，直接令

在每次迭代获得λ^*，

和

后更新泰勒展开点

即令

对偶优化问题(30)对λ，t₁和t₂交替迭代直至收敛获得最优值

和

此时有最优解

总的来说，给定一个IRS反射相移矩阵Φ₂，在每次迭代中交替寻找t₁，t₂和λ的最优解，最终通过多次迭代使安全速率收敛于一固定值，此时可以获得t₁，t₂和λ的全局最优解；由于t₁＝α，即得到了时间转换因子α的最优解，α的最优解等于迭代收敛后的t₁值。

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