CN117499962B - 一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，涉及无线通信技术领域，包括：获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；根据信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗；基于安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；将安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数；仿真结果表明，相比于无源RIS辅助的安全传输方案，本发明所提出的有源RIS辅助的安全传输方案显著提升了系统的安全能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展，未来无线通信环境日益复杂，通信系统的安全性越来越受到重视。在超高速率的无线服务和无处不在的接入需求不断增长的情况下，能源消耗也急剧增加，研究安全速率和能量消耗之间的平衡，对于寻求绿色通信方案具有重要意义。
然而，无线信号的传输易受到周围障碍物与路径损耗的影响。考虑到可重构智能表面（RIS，Reconfigurable Intelligent Surface）中的每个反射单元都可以独立调节入射信号的相位和振幅，可利用无源RIS的辅助来改善通信质量。但是，传统无源RIS难以克服实际信号传输过程中的双衰落效应。为了弥补无源RIS存在的不足，有源可重构智能表面（ARIS，Active Reconfigurable Intelligent Surface）能够通过同时调整入射信号相位和放大反射信号振幅降低双衰落效应的影响，因此受到了国内外学者的广泛关注。
此外，现有研究主要是在完美硬件设备的假设下进行的。然而，固有的硬件损伤，例如硬件老化、不完美的功率放大器和不完美的模数转换器等会影响通信系统的性能。虽然硬件损伤对系统性能的影响可以通过补偿算法来减轻，但是由于不精确估计的时变硬件特性和随机噪声，在无线传输过程中仍然会产生不可忽略的负面影响。因此，研究存在硬件损伤的系统性能具有重要意义。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
本发明实施例的第一方面，提供一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，包括：获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；根据所述信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗；基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述通信系统包括基站、ARIS、窃听者和合法用户，其中，所述基站配置M根天线，所述ARIS具有N个反射单元，所述窃听者和合法用户均配置单天线，且合法用户存在硬件损伤。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述安全传输速率的计算包括，
在考虑合法用户存在硬件损伤的情况下，所述合法用户接收到的信号表示为：
；
其中，表示合法用户接收到的信号，/>表示共轭转置操作，表示基站与合法用户之间的信道参数向量，表示ARIS与合法用户之间的信道参数向量，/>表示ARIS的反射系数，其中/>表示对角化操作，/>，，/>和/>分别表示ARIS第/>个反射单元的振幅和相位，并且/>，，j为虚数单位，/>表示基站到ARIS各反射单元之间的信道参数矩阵，其中/>，/>表示基站的波束成形向量，/>表示基站向合法用户发送的信息，且/>，/>表示取数学期望操作，/>表示在ARIS处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为/>的复高斯分布，记作，其中/>表示/>维的零向量，/>表示在合法用户处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为/>的复高斯分布，记作/>，/>表示N维的单位矩阵，/>表示由于合法用户存在硬件损伤而产生的失真接收信号，其服从均值为0，方差为/>的复高斯分布，/>表示未失真的接收信号；
根据所述合法用户接收到的信号，方差的计算表示为：
；
其中，表示失真信号功率与未失真信号功率的比例系数，/>表示对向量取二范数操作；
根据所述合法用户接收到的信号，合法用户处的信干噪比表示为：
；
设定窃听者不考虑硬件损伤，则所述窃听者接收到的信号表示为：
；
其中，表示窃听者接收到的信号，/>表示基站与窃听者之间的信道参数向量，/>表示ARIS与窃听者之间的信道参数向量，/>表示在窃听者处的高斯白噪声，其服从均值为0，方差/>的复高斯分布；
根据所述窃听者接收到的信号，窃听者处的信干噪比表示为：
；
基于所述合法用户处的信干噪比和所述窃听者处的信干噪比，所述安全传输速率的计算表示为：
。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述总功率消耗的计算包括，
所述总功率消耗包括基站处的功率消耗、ARIS处的功率消耗和合法用户的电路功率消耗；
根据基站处的波束成形向量，所述基站处的功率消耗表示为：
；
其中，表示基站处的电路功率消耗；
根据获取的信道状态信息，所述ARIS处的功率消耗表示为：
；
其中，表示ARIS每个反射单元的开关和控制电路功率消耗，/>表示ARIS每个反射单元的直流偏置功率消耗，/>，/>表示放大器效率，/>表示对矩阵取F范数操作；
所述总功率消耗的计算表示为：
；
其中，表示合法用户处的电路功率消耗。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题的构建包括，
基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题，表示为：
；
其中，表示基站的最大发射功率，/>表示ARIS的最大放大功率，/>表示ARIS第/>个反射单元的振幅，/>表示每个反射单元的最大振幅。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：包括，
在所述安全能量效率最大化问题中，波束成形向量与ARIS反射系数两个变量相互耦合，难以直接对所述安全能量效率最大化问题进行求解，可将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并采用交替优化算法进行迭代求解；
子问题1为固定ARIS反射系数，优化波束成形向量，表示为：
；
针对所述子问题1的目标函数，利用Dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题1转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包CVX对所述凸优化问题进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的波束成形向量。
作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：还包括，
子问题2为固定波束成形向量，优化ARIS反射系数，表示为：
；
针对所述子问题2的目标函数，利用Dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题2转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包CVX对所述子问题2进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的反射系数；
对所述子问题1和所述子问题2进行交替优化，直至目标函数收敛，得到波束成形向量和ARIS反射系数的优化解。
本发明实施例的第二方面，提供一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化系统，包括：
状态信息获取单元，用于获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；
优化问题构建单元，用于根据所述信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗，基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；
问题求解与设计单元，用于将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数。
本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。
本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：
所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。
本发明的有益效果：本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，相比于无源RIS辅助的安全传输方案，采用有源RIS辅助的安全传输方案对系统安全能量效率的提升效果更显著，因为本发明采用的有源RIS辅助的安全传输方案不仅能调整无线信号的相位，还能放大信号的幅值，缓解信道的双衰落效应，从而提高系统安全能量效率。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的整体流程图；
图2为本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的无线通信系统模型图；
图3为本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的实施例中进行安全能效最大化时，系统安全能效与可重构智能表面反射单元数量关系图。
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。
实施例1
参照图1~图2为本发明的一个实施例，提供了一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，该方法适用于包括一个基站、一个ARIS、一个合法用户和一个窃听者的无线通信系统，其中，基站配置M根天线，ARIS具有N个反射单元，窃听者和合法用户均配置单天线，且合法用户存在硬件损伤，模型如图2所示。在考虑合法用户处存在硬件损伤的场景下，为了有效提高系统的安全能量效率，本发明提出了一种ARIS辅助的安全传输方案。具体来说，所提方案以基站发射功率，ARIS放大功率和ARIS振幅为约束，以最大化系统的安全能量效率为目标，联合优化波束成形向量和ARIS反射系数。具体包括如下步骤：
S1：获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息。
S2：根据信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗。需要说明的是：
安全传输速率的计算包括，
在考虑合法用户存在硬件损伤的情况下，合法用户接收到的信号表示为：
；
其中，表示合法用户接收到的信号，/>表示共轭转置操作，表示基站与合法用户之间的信道参数向量，表示ARIS与合法用户之间的信道参数向量，/>表示ARIS的反射系数，其中/>表示对角化操作，/>，，/>和/>分别表示ARIS第/>个反射单元的振幅和相位，并且/>，，j为虚数单位，/>表示基站到ARIS各反射单元之间的信道参数矩阵，其中/>，/>表示基站的波束成形向量，/>表示基站向合法用户发送的信息，且/>，/>表示取数学期望操作，/>表示在ARIS处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为/>的复高斯分布，记作，其中/>表示/>维的零向量，/>表示在合法用户处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为/>的复高斯分布，记作/>，/>表示N维的单位矩阵，/>表示由于合法用户存在硬件损伤而产生的失真接收信号，其服从均值为0，方差为/>的复高斯分布，/>表示未失真的接收信号；
根据合法用户接收到的信号，方差的计算表示为：
；
其中，表示失真信号功率与未失真信号功率的比例系数，/>表示对向量取二范数操作；
根据合法用户接收到的信号，合法用户处的信干噪比表示为：
；
设定窃听者不考虑硬件损伤，则窃听者接收到的信号表示为：
；
其中，表示窃听者接收到的信号，/>表示基站与窃听者之间的信道参数向量，/>表示ARIS与窃听者之间的信道参数向量，/>表示在窃听者处的高斯白噪声，其服从均值为0，方差/>的复高斯分布；
根据窃听者接收到的信号，窃听者处的信干噪比表示为：
；
基于合法用户处的信干噪比和窃听者处的信干噪比，安全传输速率的计算表示为：
。
进一步的，总功率消耗的计算包括，
总功率消耗包括基站处的功率消耗、ARIS处的功率消耗和合法用户的电路功率消耗；
根据基站处的波束成形向量，基站处的功率消耗表示为：
；
其中，表示基站处的电路功率消耗；
根据获取的信道状态信息，ARIS处的功率消耗表示为：
；
其中，表示ARIS每个反射单元的开关和控制电路功率消耗，/>表示ARIS每个反射单元的直流偏置功率消耗，/>，/>表示放大器效率，/>表示对矩阵取F范数操作；
总功率消耗的计算表示为：
；
其中，表示合法用户处的电路功率消耗。
S3：基于安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题。需要说明的是：
基于安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题，表示为：
；
其中，表示基站的最大发射功率，/>表示ARIS的最大放大功率，/>表示ARIS第/>个反射单元的振幅，/>表示每个反射单元的最大振幅；
应说明的，安全能量效率最大化问题的目标函数是分式形式，可使用Dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，表示为：
；
其中，表示最优的系统能效，/>在每次迭代时变化，初始化/>，的更新规则表示为：
；
应说明的，由于安全传输速率的非凸性，优化问题难以求解，可采用以下引理，即对于任意的/>，存在最优解:/>，使得：
。
S4：将安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数。需要说明的是：
在安全能量效率最大化问题中，波束成形向量与ARIS反射系数两个变量相互耦合，难以直接对安全能量效率最大化问题进行求解，可将安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并采用交替优化算法进行迭代求解；
子问题1为固定ARIS反射系数，给赋初值，优化波束成形向量，表示为：
；
具体的，采用Dinkelbach方法将目标函数化为线性形式，同时使用上述引理进行公式转换，令，，/>，/>，优化问题表示为：
；
其中，表示矩阵W是半正定矩阵，/>表示矩阵的秩，为安全传输速率，表示为：
；
其中，，，/>和/>为辅助变量，/>表示对矩阵取迹操作；
其中，为总功率消耗，表示为：/>
；
其中，；
采用半定松弛算法松弛秩一约束，进而使用凸优化工具CVX求解，得出优化后的，然后利用高斯随机化将/>恢复为/>。
进一步的，子问题2为固定波束成形向量，优化ARIS反射系数，表示为：
；
具体的，采用Dinkelbach方法将目标函数化为线性形式，同时使用上述引理进行公式转换，令
；
则优化问题表示为：
；
其中，为安全传输速率，可表示为：
其中，，，/>和/>为辅助变量；
其中，为总功率消耗，可表示为：
。
采用半定松弛算法松弛秩一约束，进而使用凸优化工具CVX求解，得出优化后的，再利用高斯随机化将/>恢复为/>，后将优化后的/>代入到子问题1中，给/>重新赋初值。
最后，对子问题1和子问题2进行交替优化，直至目标函数收敛，得到波束成形向量和ARIS反射系数的优化解。
由上述可得，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，相比于无源RIS辅助的安全传输方案，采用有源RIS辅助的安全传输方案对系统安全能量效率的提升效果更显著，因为本发明采用的有源RIS辅助的安全传输方案不仅能调整无线信号的相位，还能放大信号的幅值，缓解信道的双衰落效应，从而提高系统安全能量效率。
本发明公开的第二方面，
提供一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化系统，包括：
状态信息获取单元，用于获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；
优化问题构建单元，用于根据信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗，基于安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；
问题求解与设计单元，用于将安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数。
本发明公开的第三方面，
提供一种设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，处理器被配置为调用存储器存储的指令，以执行前述中任意一项的方法。
本发明公开的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：
计算机程序指令被处理器执行时实现前述中任意一项的方法。
本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、静态随机存取存储器（SRAM）、便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能盘（DVD）、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波（例如，通过光纤电缆的光脉冲）、或者通过电线传输的电信号。
实施例2
参照图3为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
本实施例在计算机中使用MATLAB仿真实现本发明，系统模型包括一个基站、一个ARIS、一个合法用户和一个窃听者。在仿真实验中，基站、ARIS、合法用户和窃听者位置分别为（0，0）、（10，10）、（20，0）和（20，10），单位为米。大尺度路径损耗被建模为，其中/>是参考距离/>时的路径损耗值，/>是路径损耗指数；
各条链路之间的路径损耗指数分别被设定为，/>，，基站到合法用户和基站到窃听者链路的小尺度衰落被建模为瑞利衰落；基站到ARIS,ARIS到合法用户和ARIS到窃听者链路的小尺度衰落被建模为莱斯衰落，其莱斯因子分别为/>。ARIS放大器效率/>，硬件损伤比例系数/>，最大振幅/>，噪声功率/>。
图3为本发明实施例中进行安全能效最大化时，系统安全能效与可重构智能表面反射单元数量关系图。从图中可以看出，相比于无源RIS辅助的安全传输方案，采用有源RIS辅助的安全传输方案对系统安全能量效率的提升效果更显著，有源RIS可以调整低成本反射单元的相位来改善通信的质量，提高系统的安全能量效率；而相比于无源RIS，有源RIS辅助的安全传输方案可以进一步提高系统的安全能量效率。这是因为有源RIS不仅能调整无线信号的相位，还能放大信号的幅值，缓解信道的双衰落效应，从而提高系统安全能量效率。
此外从图3中可以看出，两种方案的系统安全能量效率都会随着反射单元数量增加而增加，但是系统安全能量效率提升的速率会随着反射单元数量增加而降低。仿真结果表明，本发明提出的有源RIS辅助的安全传输方案效果优于无源RIS辅助的安全传输方案。
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 (4)
1.一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，其特征在于，包括：
获取基站到ARIS、ARIS到合法用户、基站到合法用户、ARIS到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；
根据所述信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗；
通信系统包括基站、ARIS、窃听者和合法用户，其中，所述基站配置M根天线，所述ARIS具有N个反射单元，所述窃听者和合法用户均配置单天线，且合法用户存在硬件损伤；
所述安全传输速率的计算包括，
在考虑合法用户存在硬件损伤的情况下，所述合法用户接收到的信号表示为：
；
其中，表示合法用户接收到的信号，/>表示对基站与合法用户之间的信道参数向量进行共轭转置操作，/>表示对ARIS与合法用户之间的信道参数向量进行共轭转置操作，/>表示ARIS的反射系数，/>表示基站到ARIS各反射单元之间的信道参数矩阵，/>表示基站的波束成形向量，/>表示基站向合法用户发送的信息，/>表示在ARIS处的高斯白噪声，/>表示在合法用户处的高斯白噪声，/>表示由于合法用户存在硬件损伤而产生的失真接收信号，其服从均值为0，方差为/>的复高斯分布，/>表示未失真的接收信号；
根据所述合法用户接收到的信号，方差的计算表示为：
；
其中，表示失真信号功率与未失真信号功率的比例系数，/>表示N维的单位矩阵，表示在ARIS处的高斯白噪声的方差，/>表示在合法用户处的高斯白噪声的方差，表示对向量取二范数操作；
根据所述合法用户接收到的信号，合法用户处的信干噪比表示为：
；
设定窃听者不考虑硬件损伤，则所述窃听者接收到的信号表示为：
；
其中，表示窃听者接收到的信号，/>表示对基站与窃听者之间的信道参数向量进行共轭转置操作，/>表示对ARIS与窃听者之间的信道参数向量进行共轭转置操作，表示在窃听者处的高斯白噪声；
根据所述窃听者接收到的信号，窃听者处的信干噪比表示为：
；
其中，表示在窃听者处的高斯白噪声的方差；
基于所述合法用户处的信干噪比和所述窃听者处的信干噪比，所述安全传输速率的计算表示为：
；
所述总功率消耗的计算包括，
所述总功率消耗包括基站处的功率消耗、ARIS处的功率消耗和合法用户的电路功率消耗；
根据基站处的波束成形向量，所述基站处的功率消耗表示为：
；
其中，表示基站处的电路功率消耗；
根据获取的信道状态信息，所述ARIS处的功率消耗表示为：
；
其中，表示ARIS每个反射单元的开关和控制电路功率消耗，/>表示ARIS每个反射单元的直流偏置功率消耗，/>，/>表示放大器效率，/>表示对矩阵取F范数操作；
所述总功率消耗的计算表示为：
；
其中，表示合法用户处的电路功率消耗；
基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；
所述ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题的构建包括，
基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、ARIS放大功率和ARIS振幅的约束下，构建ARIS辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题，表示为：
；
其中，表示基站的最大发射功率，/>表示ARIS的最大放大功率，/>表示ARIS第/>个反射单元的振幅，/>表示每个反射单元的最大振幅；
将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和ARIS反射系数；
在所述安全能量效率最大化问题中，波束成形向量与ARIS反射系数两个变量相互耦合，难以直接对所述安全能量效率最大化问题进行求解，可将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并采用交替优化算法进行迭代求解；
子问题1为固定ARIS反射系数，优化波束成形向量，表示为：
；
针对所述子问题1的目标函数，利用Dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题1转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包CVX对所述凸优化问题进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的波束成形向量；
还包括，子问题2为固定波束成形向量，优化ARIS反射系数，表示为：
；
针对所述子问题2的目标函数，利用Dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题2转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包CVX对所述子问题2进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的反射系数；
对所述子问题1和所述子问题2进行交替优化，直至目标函数收敛，得到波束成形向量和ARIS反射系数的优化解。
2.一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化系统，其特征在于，包括：状态信息获取单元、优化问题构建单元以及问题求解与设计单元，用于执行如权利要求1所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法。
3.一种设备，其特征在于，所述设备包括，
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行权利要求1所述的方法。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1所述的方法。
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2023
- 2023-12-29 CN CN202311852519.8A patent/CN117499962B/zh active Active
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