CN117098133A - 一种无蜂窝大规模mimo的ris部署方法及系统 - Google Patents

一种无蜂窝大规模mimo的ris部署方法及系统 Download PDF

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CN117098133A CN202310805636.2A CN202310805636A CN117098133A CN 117098133 A CN117098133 A CN 117098133A CN 202310805636 A CN202310805636 A CN 202310805636A CN 117098133 A CN117098133 A CN 117098133A
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Abstract

本发明公开了一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法及系统包括，本发明通过构建一个无蜂窝大规模MIMO点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者Eve；利用RIS增强系统物理层安全性，并计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率；以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到RIS的最优相移和部署位置；本发明可以在不引入额外系统能耗的前提下，大幅提升被窃听用户的安全速率；在存在窃听者的无蜂窝大规模MIMO系统中，首次将RIS相移和位置部署进行联合优化，以增强系统的物理层安全性。

Description

一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法及系统。
背景技术
无蜂窝大规模MIMO技术能够利用密集部署的接入点消除小区边界限制，缓解甚至消除传统大规模MIMO系统中存在的严重的小区间干扰，同时也因均衡接入点分布消除了中心与边缘用户差异，保证服务质量在高速移动性下的无缝衔接。然而，超密集的接入点部署额外增加了大量有线回程链路和回程数据传输，使得系统能耗激增。
RIS集成了大量低成本、带有相移控制器的被动反射元件，可通过调节反射元件的相位，将入射信号反射到所需的方向，从而有效提高接受信号的强度。与传统中继设备相比，RIS没有噪声放大和自干扰，还具有低能耗和易于部署的特点。因此，在通信系统中，将部分接入点替换为RIS，可大大降低系统能耗；在原有系统的基础上额外增加RIS，能获得可观的速率提升。由于其独特的优势，RIS被提出作为无蜂窝大规模MIMO系统能耗问题的解决方案。
由于无线信号固有的广播特性，覆盖范围内的任何用户理论上都能接收到无线信号，并发起各种攻击(窃听、监视等)。RIS的相位调整能同时增加合法用户信号强度和削弱非法用户信号强度，从而提升合法用户的安全速率，在提高系统安全性方面表现出了良好的性能。
然而，现有的RIS辅助的无蜂窝大规模MIMO研究尚未涉及RIS的位置部署在安全通信问题中的影响。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，用来解决实际问题中，传统方法未考虑RIS位置部署在安全通信中造成影响和系统物理安全性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，包括：
构建一个无蜂窝大规模MIMO点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者Eve；
利用RIS增强系统物理层安全性，并计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率；
以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到RIS的最优相移和部署位置。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：所述构建一个无蜂窝大规模MIMO点，包括：
设有一个无蜂窝大规模MIMO系统，存在M个接入点，K个用户在平面内均匀分布，且有一个窃听者存在于系统中；
其中，所有接入点、用户和窃听者均为单天线设备。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：利用RIS增强系统物理层安全性，包括：
第m个接入点与第k个用户之间的无线信道由直射链路和反射链路两部分组成，直射链路为瑞利信道表示为：
其中，βmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路的大尺度衰落系数，hmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路小尺度衰落系数；
反射链路由接入点到RIS以及RIS到用户的两段链路组成，第m个接入点到RIS的链路表示为：
其中，公式中的所有下标m表示第m个接入点，下标r表示RIS，下标k表示第个k用户，下标e表示窃听者；βmr表示第m个接入点到RIS链路的大尺度衰落系数，Kmr表示第m个接入点到RIS链路的莱斯K因子，和/>分别表示gmr的LoS分量和NLoS分量；RIS到第k个用户的链路表示为：
其中，βrk表示RIS到第k个用户链路的大尺度衰落系数，Krk表示RIS到第k个用户链路的莱斯K因子，和/>分别表示grk的LoS分量和NLoS分量；
RIS的相移矩阵表示为：
其中，表示RIS第l个反射元件对入射信号的相移，L表示RIS的反射元件数；设定ρmk表示第m个接入点与第k个用户之间反射链路的增益系数，当第m个接入点与第k个用户共同处于RIS反射范围内时有ρmk＝1，否则ρmk＝0；
将直射链路gmk与带增益系数的反射链路相加，可得第m个接入点到第k个用户的总无线信道为：
第m个接入点到窃听者e的总无线信道为：
其中，上标H表示共轭转置算子，gme表示第m个接入点与窃听者e之间的直射链路，表示第m个接入点与窃听者e之间带增益系数的反射链路。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率，包括：
计算可得安全速率Rsec＝log2(1+SNRk)-log2(1+SNRe)；
被窃听用户的信噪比SNRk表示为：
窃听者的信噪比SNRe表示为：
其中，上标*表示共轭算子，和/>为被窃听用户和窃听者各自的噪声功率，pd为每个接入点的发射功率；k’的代表的是除第k个用户以外的所有k-1个用户中的任意一个；M既表示接入点的总个数，也表示最后一个接入点的标记；/>表示从第m个AP到第k个用户反射链路的LoS分量之积；表示从第m个AP到第k个用户反射链路的功率增益；
其中
表示从第m个AP到第k个用户反射链路的幅度大小；
其中
表示目标用户有用信号功率的计算因子。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：以目标用户的安全速率最大化为目标函数，包括：
以被窃听用户的遍历安全速率最大化为目标，在RIS相移以及位置的约束下，寻找最优的RIS相移及最优位置部署，建立以下优化问题：
(xr,yr)∈S.
其中，(xr,yr)为RIS的位置坐标；S表示系统的区域范围。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：得到RIS的最优相移和部署位置，包括：
使用梯度下降交替迭代算法求解所述优化问题，获得最优的RIS相移及最优位置部署。
作为本发明所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的一种优选方案，其中：所述梯度下降交替迭代算法，包括：
设定RIS初始位置为初始相移矩阵为Φ0，将两者代入安全速率的计算公式中得到/>初始化迭代步长s1,s2＞0，迭代终止误差σ＞0，迭代变量i,j＝0；
计算出安全速率对RIS相移矩阵的下降方向对RIS相移进行迭代并据此得出新的安全速率，记为/>
设定i＝i+1，重复Rsec(Φi+1)的计算步骤，直到|Rsec(Φi+1)-Rsec(Φi)|＜σ为止，记相移的最优值为Φopt＝Φi+1；
计算出安全速率对RIS部署位置的下降方向对RIS部署位置进行迭代/>并据此得出新的安全速率，记为/>
设定j＝j+1，重复的计算步骤，直到为止，记部署位置的最优值为/>
重复以上所有计算步骤，直到得到RIS的最优相移Φopt和最优部署位置/>
第二方面，本发明提供了无蜂窝大规模MIMO的RIS部署系统，其包括：
RIS控制器模块，负责协调和管理整个RIS网络；
基站模块，负责与用户设备进行通信，同RIS控制器模块交互，将数据传输到正确的RIS和用户设备模块中；
RIS模块，用于实现波束成形和信号增强；
用户设备模块，用于和基站模块之间进行通信，接收来自RIS的波束成形信号，以及将数据发送回基站模块。
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的任一步骤。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的任一步骤。
与现有技术相比，发明有益效果为：本发明通过构建一个无蜂窝大规模MIMO点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者Eve；利用RIS增强系统物理层安全性，并计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率；以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到RIS的最优相移和部署位置；本发明可以在不引入额外系统能耗的前提下，大幅提升被窃听用户的安全速率；在存在窃听者的无蜂窝大规模MIMO系统中，首次将RIS相移和位置部署进行联合优化，以增强系统的物理层安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的总体流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，包括：
S1、构建一个无蜂窝大规模MIMO点在平面内均匀分布，系统内存在窃听者；
进一步的，设有一个无蜂窝大规模MIMO系统，存在M＝20个接入点，K＝10个用户在边长为400米的正方形平面区域内均匀分布，且有一个窃听者存在于系统中；
其中，所有接入点、用户和窃听者均为单天线设备；
应当说明的是，窃听者与目标用户的距离不超过10米；
S2、利用RIS增强系统物理层安全性，计算在RIS辅助下，目标用户的下行可达安全速率；
进一步的，利用RIS增强系统物理层安全性，包括：
第m个接入点与第k个用户之间的无线信道由直射链路和反射链路两部分组成，直射链路为瑞利信道表示为：
其中，βmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路的大尺度衰落系数，hmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路小尺度衰落系数；
更进一步的，反射链路由接入点到RIS以及RIS到用户的两段链路组成，第m个接入点到RIS的链路表示为：
其中，公式中的所有下标m表示第m个接入点，下标r表示RIS，下标k表示第个k用户，下标e表示窃听者；βmr表示第m个接入点到RIS链路的大尺度衰落系数，Kmr表示第m个接入点到RIS链路的莱斯K因子，和/>分别表示gmr的LoS分量和NLoS分量；RIS到第k个用户的链路表示为：
其中，βrk表示RIS到第k个用户链路的大尺度衰落系数，Krk表示RIS到第k个用户链路的莱斯K因子，和/>分别表示grk的LoS分量和NLoS分量；
RIS的相移矩阵表示为：
其中，表示RIS第l个反射元件对入射信号的相移，L＝36表示RIS的反射元件数；设定ρmk表示第m个接入点与第k个用户之间反射链路的增益系数，当第m个接入点与第k个用户共同处于RIS反射范围内时有ρmk＝1，否则ρmk＝0；
更进一步的，将直射链路gmk与带增益系数的反射链路相加，可得第m个接入点到第k个用户的总无线信道为：
第m个接入点到窃听者e的总无线信道为：
其中，上标H表示共轭转置算子，gme表示第m个接入点与窃听者e之间的直射链路，表示第m个接入点与窃听者e之间带增益系数的反射链路；
应当说明的是，所有大尺度衰落系数均采用模型β＝d-r；d表示对应路径的欧几里得距离，r表示对应路径上的衰减系数；对于所有直射链路，取r＝3.4，对于所有反射链路，取r＝2.1；所有莱斯K因子均取值为5dB；所有莱斯信道的LoS分量均采用模型 表示/>的第l个元素，θ表示对应路径的到达角或离开角，且θ取[0,2π]之间的随机值；噪声功率/>每个接入点的发射功率pd＝30dBm；
S3、以目标用户的安全速率最大化为目标函数，使用梯度下降交替迭代算法得到RIS的最优相移和部署位置；
进一步的，梯度下降交替迭代算法步骤如下：
S301、设定RIS初始位置为(单位：米)，初始相移矩阵为Φ0，将两者代入安全速率的计算公式中得到/>初始化迭代步长s1＝0.1，s2＝1，迭代终止误差σ＝10-5，迭代变量i,j＝0；
S302、计算出安全速率对RIS相移矩阵的下降方向对RIS相移进行迭代/>并据此得出新的安全速率，记为Rsec(Φi+1)；
S303、设定i＝i+1，重复S302，直到|Rsec(Φi+1)-Rsec(Φi)|＜σ为止，记相移的最优值为Φopt＝Φi+1；
S304、计算出安全速率对RIS部署位置的下降方向对RIS部署位置进行迭代/>并据此得出新的安全速率，记为
S305、设定j＝j+1，重复S304，直到为止，记部署位置的最优值为/>
S306、重复S302至S305，直到得到RIS的最优相移Φopt和最优部署位置/>
进一步的，本实施例还提供一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署系统，包括：
RIS控制器模块，负责协调和管理整个RIS网络；
基站模块，负责与用户设备进行通信，同RIS控制器模块交互，将数据传输到正确的RIS和用户设备模块中；
RIS模块，用于实现波束成形和信号增强；
用户设备模块，用于和基站模块之间进行通信，接收来自RIS的波束成形信号，以及将数据发送回基站模块。
本实施例还提供一种计算机设备，适用于无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法的情况，包括：
存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法。
该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法。
本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。
实施例2
参照表1，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，包括：
通过仿真实验的方式对本发明使用方法进行有益效果的展示，其中实验参数为实施例1中涉及的所有参数；
表1最优RIS相移及位置
由上表可以看出RIS部署位置对安全速率的影响；经过梯度下降交替迭代算法对RIS部署位置和相移的优化，使得系统的安全速率得到了可观提升，证明了本发明提出的最佳RIS部署方法的可行性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，包括：
构建一个无蜂窝大规模MIMO点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者Eve；
利用RIS增强系统物理层安全性，并计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率；
以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到RIS的最优相移和部署位置。
2.如权利要求1所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，所述构建一个无蜂窝大规模MIMO点，包括：
设有一个无蜂窝大规模MIMO系统，存在M个接入点，K个用户在平面内均匀分布，且有一个窃听者存在于系统中；
其中，所有接入点、用户和窃听者均为单天线设备。
3.如权利要求2所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，利用RIS增强系统物理层安全性，包括：
第m个接入点与第k个用户之间的无线信道由直射链路和反射链路两部分组成，直射链路为瑞利信道表示为：
其中，βmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路的大尺度衰落系数，hmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路小尺度衰落系数；
反射链路由接入点到RIS以及RIS到用户的两段链路组成，第m个接入点到RIS的链路表示为：
其中，公式中的所有下标m表示第m个接入点，下标r表示RIS，下标k表示第个k用户，下标e表示窃听者；βmr表示第m个接入点到RIS链路的大尺度衰落系数，Kmr表示第m个接入点到RIS链路的莱斯K因子，和/>分别表示gmr的LoS分量和NLoS分量；RIS到第k个用户的链路表示为：
其中，βrk表示RIS到第k个用户链路的大尺度衰落系数，Krk表示RIS到第k个用户链路的莱斯K因子，和/>分别表示grk的LoS分量和NLoS分量；
RIS的相移矩阵表示为：
其中，表示RIS第l个反射元件对入射信号的相移，L表示RIS的反射元件数；设定ρmk表示第m个接入点与第k个用户之间反射链路的增益系数，当第m个接入点与第k个用户共同处于RIS反射范围内时有ρmk＝1，否则ρmk＝0；
将直射链路gmk与带增益系数的反射链路相加，可得第m个接入点到第k个用户的总无线信道为：
第m个接入点到窃听者e的总无线信道为：
其中，上标H表示共轭转置算子，gme表示第m个接入点与窃听者e之间的直射链路，表示第m个接入点与窃听者e之间带增益系数的反射链路。
4.如权利要求3所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，计算在RIS辅助下目标用户的下行可达安全速率，包括：
计算可得安全速率Rsec＝log2(1+SNRk)-log2(1+SNRe)；
被窃听用户的信噪比SNRk表示为：
窃听者的信噪比SNRe表示为：
其中，上标*表示共轭算子，和/>为被窃听用户和窃听者各自的噪声功率，pd为每个接入点的发射功率；k’的代表的是除第k个用户以外的所有k-1个用户中的任意一个；M既表示接入点的总个数，也表示最后一个接入点的标记；/>表示从第m个AP到第k个用户反射链路的LoS分量之积；表示从第m个AP到第k个用户反射链路的功率增益；
其中
表示从第m个AP到第k个用户反射链路的幅度大小；
其中
表示目标用户有用信号功率的计算因子。
5.如权利要求1或4所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，以目标用户的安全速率最大化为目标函数，包括：
以被窃听用户的遍历安全速率最大化为目标，在RIS相移以及位置的约束下，寻找最优的RIS相移及最优位置部署，建立以下优化问题：
(xr,yr)∈S.
其中，(xr,yr)为RIS的位置坐标；S表示系统的区域范围。
6.如权利要求5所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，得到RIS的最优相移和部署位置，包括：
使用梯度下降交替迭代算法求解所述优化问题，获得最优的RIS相移及最优位置部署。
7.如权利要求6所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，所述梯度下降交替迭代算法，包括：
设定RIS初始位置为初始相移矩阵为Φ0，将两者代入安全速率的计算公式中得到/>初始化迭代步长s1,s2＞0，迭代终止误差σ＞0，迭代变量i,j＝0；
计算出安全速率对RIS相移矩阵的下降方向对RIS相移进行迭代并据此得出新的安全速率，记为Rsec(Φi+1)；
设定i＝i+1，重复Rsec(Φi+1)的计算步骤，直到|Rsec(Φi+1)-Rsec(Φi)|＜σ为止，记相移的最优值为Φopt＝Φi+1；
计算出安全速率对RIS部署位置的下降方向对RIS部署位置进行迭代并据此得出新的安全速率，记为/>
设定j＝j+1，重复的计算步骤，直到/>为止，记部署位置的最优值为/>
重复以上所有计算步骤，直到得到RIS的最优相移Φopt和最优部署位置/>
8.一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署系统，基于权利要求1～7任一所述的无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法，其特征在于，包括：
RIS控制器模块，负责协调和管理整个RIS网络；
基站模块，负责与用户设备进行通信，同RIS控制器模块交互，将数据传输到正确的RIS和用户设备模块中；
RIS模块，用于实现波束成形和信号增强；
用户设备模块，用于和基站模块之间进行通信，接收来自RIS的波束成形信号，以及将数据发送回基站模块。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7任一所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一所述方法的步骤。
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