CN115484607A - 一种ris辅助的swipt无线系统安全通信方法 - Google Patents

一种ris辅助的swipt无线系统安全通信方法 Download PDF

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CN115484607A CN202211106730.0A CN202211106730A CN115484607A CN 115484607 A CN115484607 A CN 115484607A CN 202211106730 A CN202211106730 A CN 202211106730A CN 115484607 A CN115484607 A CN 115484607A
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Abstract

本发明提出了一种RIS辅助的SWIPT无线系统的安全通信方法。本发明中基站发送的信号经RIS反射到达用户端，RIS能改变入射到表面的信号的相位。RIS的引入不仅辅助了远距离能量收集，而且打破了物理空间上的物理层安全技术的限制，在保证最低能量收集的同时，提高了通信安全。以最大化最小信息速率为目标，联合基站发射波束赋形矩阵和RIS相移矩阵的设计，通过交替优化算法、排序算法、辅助变量法求解优化问题。本发明实现复杂度低，能够有效提高多用户多天线无线通信系统的安全性能，并储存了无线环境中射频能量可为低功耗设备供电，有助于物联网的应用和实现。

Description

一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域。
背景技术
如今的无线通信系统主要面临两大挑战：无线通信安全挑战和无线通信能耗挑战。由于无线通信信道是开放信道，无线通信可能会面临非法窃听、假冒攻击和信息篡改等威胁。传统的主流方法是通过网络层的加密技术以防止信息被窃听，而无线通信物理层安全技术 PLS(Physical Layer Security)利用无线信道的衰落及时变特性，在物理层上实现信息的保密传输，该方法极大地弥补了传统加密方法复杂度高、硬件资源成本高的缺陷。
但是在无线通信系统中应用PLS有场景限制，例如，当窃听端与合法用户的空间位置相近或者相对于基站在同一方向时，两者的信道相关性较强，此时在基站端进行多天线波束成形，显然窃听端也会接收到更多的信号，无线系统的PLS难以得到保证，如图1所示。可重构智能表面RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)是由大量低成本无源反射单元组成的平面，每个单元可以独立改变入射信号的振幅和相位，可用于定向信号的增强和抵消。RIS 不使用射频链(一种成本高、能耗大的器件)，并且工作距离短、成本低、能耗低，因此可以密集部署，不需要考虑RIS之间的干扰管理。此外，RIS可以根据不同的应用场景，安装在不同的建筑物表面。将RIS引入到无线系统中，通过对RIS进行联合配置，可减弱窃听端信号增强合法用户信号，从而辅助增强系统PLS。
对于无线通信系统能耗问题，无线携能技术SWIPT(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer)可以在一定程度上提高无线网络的能源效率，解决无线网络的能源限制问题。它可以为物联网(IoT)中的大量低功耗设备供电，因此提出作为第五代/第六代(5G/6G)无线网络的一种有效方法。然而，由于路径损耗严重，无线功率传输仅适用于短距离传输，因此能量收集接收器EHR(Energy Harvesting Receivers)的范围有限。在EHR附近引入RIS可以解决上述问题，因为RIS可以为EHR提供额外的通信链路，并且可以补偿远距离的严重功率损失。将SWIPT和RIS集成到一个系统中可以获得这两种技术的内在好处，如图2所示。
发明内容
由于传统的PLS和SWIPT技术存在限制，因此，我们引入一项新兴技术——RIS，通过联合优化RIS的反射相移矩阵和基站的波束成形矩阵，在保证最低能量收集的条件下，达到最优的保密信息速率，最终达到安全通信和收集能量的目的，无线通信系统如图3所示。
为实现上述目的，本发明提供以下关键技术：
(1)RIS-PLS技术：RIS是一种通过人工重构电磁波传播环境来提高无线网络频谱和能量效率的新兴硬件技术。可重构智能反射面由大量低功耗、成本低的小单元组成，可单独控制每个小单元的反射相位从而实现接收端的信号叠加或者抵消，利用RIS的无源波束成形技术减弱窃听端的信号从而实现物理层安全性能的提升；
(2)RIS-SWIPT技术：SWIPT是一种同时进行无线信息和功率传输的技术，在进行正常信号传输的同时还可以进行能量收集。可以同时为信息用户和能量用户提供服务。通过优化RIS的反射波束成形，可以在保证最低收集能量的同时最大化最小信息速率。
将两种关键技术引入无线通信系统，拓宽了无线通信的应用场景，打破了传统通信环境不可控的限制，在路径损耗严重的情况下，找到一个无源方法尽可能收集环境中的能量，满足可持续绿色、经济、安全的未来超5G和6G通信的基本要求。
本发明提供以下技术方案：
(1)研究新型应用场景：在无线通信网络中，有一个多天线基站，一块规则排列的RIS，多个多天线用户(信息用户、能量用户)，现有的SWIPT系统中研究安全通信问题的场景中还未有多个多天线用户的模型，本发明的通信模型具有创新性；
(2)满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求，针对基于智能反射面辅助的无线携能通信系统中安全通信问题，提出了一种信息和能量波束成形设计方法，利用AO(Alternating Optimization)算法在发射功率约束、能量收集约束和模1约束下，联合优化BS的波束成形和RIS相移矩阵，使用简单方法解决复杂化问题，减小求解过程中的复杂度，证明本发明具有可操作性。
采用以上技术方案的有益效果是：
1.针对多天线用户的网络安全需求提供高效的网络安全服务；
2.收集空中无线电能量为网络节点或小功率设备供电以此减少系统能耗；
3.降低了无线通信系统的算法复杂度；
4.多天线模型更接近实际系统模型有实际应用价值性；
5.提高了无线通信系统的安全性和能量收集性能。
附图说明
图1为RIS辅助PLS系统模型图；
图2为RIS辅助SWIPT系统模型图；
图3为基于RIS的SWIPT系统无线通信模型图；
图4为AO算法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参见图3至图4，一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法具体实施方式：
本文拟采用交替优化算法，推导出最大最小信息速率与非RIS系统场景进行对比，以此验证所提出方法的有效性。本研究实施方案的实现经过以下三个步骤：1、数学建模；2、问题处理；3、算法实现。
1)数学建模：本文建立一个下行链路无线通信模型由一个天线数为M的基站、一块有N个小单元的RIS、KI个具有NI根天线的信息用户、KR个具有NR根天线的能量用户和一个NE根天线的窃听端组成，将RIS部署在多天线接收器附近，以协助从多天线发射器进行安全传输。
假设所有信道的信道状态信息CSI(channel state information)是完全已知的，所有信道建模都是准静态平坦衰落模型。考虑能量收集最小值约束、保密速率、发射功率和模1约束，以最大化最小信息速率为目标，联合优化基站发射波束成形矩阵和RIS相移矩阵，将优化问题建模为具有二次型约束的优化问题。
基站的发射信号：
Figure BSA0000283471950000031
其中
Figure BSA0000283471950000032
是信息信号，服从复高斯分布
Figure BSA0000283471950000033
是基站的发射波束成形向量。定义信道如下，基站到RIS为
Figure BSA0000283471950000034
RIS到信息用户为
Figure BSA0000283471950000035
RIS到能量用户为
Figure BSA0000283471950000036
RIS到窃听端为
Figure BSA0000283471950000037
Figure BSA0000283471950000038
和窃听端的信干噪比分别为(2)和(3)：
Figure BSA0000283471950000039
Figure BSA0000283471950000041
其中，
Figure BSA0000283471950000042
Figure BSA0000283471950000043
和
Figure BSA0000283471950000044
是复合信道。
安全速率为：
Figure BSA0000283471950000045
可列出本发明的优化问题(P1)：
Figure BSA0000283471950000046
其中(5)式中
Figure BSA0000283471950000047
2)问题处理：由于安全速率、模1约束和目标函数非凸，且变量耦合，导致(P1) 问题难解，本发明利用利用松弛变量、半定松弛法和辅助变量将非凸的二次型问题转化为等价的凸问题，最后使用交替优化迭代算法求解优化问题，得到该问题的次优解。
使用排序算法：对信道增益排序得到，
Figure BSA0000283471950000048
对应的序号是
Figure BSA0000283471950000049
根据定理1，得到
Figure BSA00002834719500000410
是单调递增函数，可以将max min问题转化成max问题，得到(P2)：
Figure BSA00002834719500000411
其中，
Figure BSA00002834719500000412
Z和CR3都是非凸的，对CR3处理：
Figure BSA0000283471950000051
对Z进行处理，引入辅助变量可得：
Figure BSA0000283471950000052
转换后的优化问题(P3)：
Figure BSA0000283471950000053
3)算法实现：对非凸的目标函数和约束条件进行凸转换后，可利用交替优化算法AO结合Matlab的CVX工具箱直接求解，算法流程图如图4所示。可将(P3)拆分成两个子问题，先固定Φ求
Figure BSA0000283471950000054
再固定
Figure BSA0000283471950000055
求Φ，迭代至(P3)收敛，找到优化问题的次优解。
固定Φ求
Figure BSA0000283471950000056
Figure BSA0000283471950000057
固定
Figure BSA0000283471950000058
求Φ
Figure BSA0000283471950000061

Claims (4)

1.一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
构建可重构智能表面RIS辅助的多用户下行无线通信系统，具有N个反射单元的RIS协助基站与KI个信息用户之间进行安全通信，KR个能量用户收集无线环境中射频信号的能量，所述基站具有M根天线，信息用户具有NI根天线，能量用户具有NR根天线，一个窃听端具有NE根天线；定义
Figure FSA0000283408810000011
为RIS到第iI个信息用户的信道，
Figure FSA0000283408810000012
为RIS到第iR个能量用户的信道，Gr，e为RIS到窃听端的信道，F为基站到RIS的信道，RIS的相移矩阵
Figure FSA0000283408810000013
其中θn∈[0，2π)，
Figure FSA0000283408810000014
θn和βn分别是RIS第n个小单元的相位和幅度；
定义
Figure FSA0000283408810000015
为射频信号，满足复高斯分布：
Figure FSA0000283408810000016
为第iI个信息用户的波束赋形向量，则基站的发射信号x为：
Figure FSA0000283408810000017
第iI个信息用户的接收信号
Figure FSA0000283408810000018
第iR个能量用户的接收信号
Figure FSA0000283408810000019
和窃听端能接收到的信号Ye分别为：
Figure FSA00002834088100000110
Figure FSA00002834088100000111
Ye＝(Ge HΦF)x+ne (4)
基站发送信号，信号经过RIS发射到信息用户；所述RIS对基站发射的信号进行相位调控；基站的波束成形矩阵和RIS相移矩阵根据最小信息速率最大化准则进行联合设计；假设所有的信道状态信息都是已知的，根据香农公式和有用信号功率与噪声干扰功率比可列出信息速率表达式；联合优化的目标在同时满足基站功率约束、最小能量收集约束、安全速率约束及RIS各单元相移恒模约束下最大化最小信息速率；
其中基站的波束成形矩阵和RIS相移矩阵的联合优化基于如下交替优化方法，包括：对于给定RIS相移矩阵，利用排序算法和辅助变量法对基站进行最小信息速率最大化准则下的波束成形矩阵设计；对于给定的波束成形矩阵，采用分块矩阵和半正定松弛法对RIS相移矩阵进行设计；交替实施上述波束成形矩阵和RIS相移矩阵的联合优化直至信息速率值收敛。
2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法，其特征在于：
对于给定的RIS相移矩阵利用排序算法和辅助变量法对基站进行最小信息速率最大化准则下的波束成形矩阵设计，包括以下步骤：
(1)根据排序算法，对RIS到各个用户的信道按照信道增益进行排序，由于目标函数的单调递增性，可将原max min优化问题转化为max优化问题；
(2)基于等价函数，将原先的log函数转化为分式表达式，引入辅助变量将分式问题转化为凸优化子问题，辅助变量在迭代过程中不断更新；直至迭代结果收敛，迭代过程终止，此时得到RIS相移矩阵给定时发射波束成形矩阵的解。
3.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法，其特征在于：对于给定的波束成形矩阵，采用分块矩阵和半正定松弛法对RIS相移矩阵进行设计，包括以下步骤：
(1)对于上述求得的多个波束成形矩阵拼接成一个矩阵，对目标函数进行等价转换；
(2)利用半正定松弛法松弛优化问题中的秩1约束，对迭代中所求的解进行特征值分解。
4.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的SWIPT无线系统安全通信方法，其特征在于：优化问题：
Figure FSA0000283408810000021
其中，
Figure FSA0000283408810000022
CR1为最大功率约束，CR2为保证最小能量收集约束，CR3为安全速率约束，CR4为RIS反射单元系数约束。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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