CN118075852A - 一种双有源ris辅助的pls传输系统功耗优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法及系统，涉及无线通信技术领域，本发明适用于由一个基站、两个有源RIS节点、一个合法用户以及一个非法窃听节点组成的PLS传输系统。为有效降低PLS传输系统功耗，本发明提出了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统的功耗优化方法，所提方法以保障合法用户端的安全速率为约束，构建PLS传输系统的功耗最小化问题，设计了基于交替优化的基站波束成形向量和双有源RIS反射系数的迭代优化算法。与单有源RIS辅助以及传统无源RIS辅助方案相比，本发明所提方法显著降低了PLS传输系统的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法及系统。
背景技术
近年来，随着超5代（B5G, Beyond Fifth-generation）移动通信通信系统的发展，可重构智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）被认为有希望是下一代通信系统的关键技术。具体来说，RIS是由多个反射元件组成的二维平面阵列，其中每个反射元件都可以动态配置入射电磁信号的相位和幅度。与传统单RIS辅助通信相比，双RIS辅助通信时能够提供多条传输链路，削弱周围障碍物对通信节点的影响，进而有效提升RIS覆盖范围同时进一步提升通信系统容量。另一方面，随着无线通信技术的深入发展与无线通信网络中通信设备数量的激增，无线通信网络的开放性、移动性得到进一步拓展，使得物理层安全（PLS，Physical Layer Security）问题也愈发重要。得益于可以智能重构电磁信号性质这一能力，RIS在PLS方面的应用也得到广泛的关注。
然而，由于存在“双衰落”效应，传统无源RIS的应用与发展收到严重限制。为克服“双衰落”效应，有源RIS的概念被提出。与传统无源RIS的无源反射元件不同，有源RIS的反射元件不仅可以反射入射信号，还可以通过集成的放大器放大入射信号，从而显著提升通信系统容量。但有源RIS在消耗能量放大入射信号的同时，会引入额外的热噪声，这不仅增加通信系统的能量消耗且影响通信系统性能。现有研究主要集中在单个有源RIS辅助的PLS传输功耗方面，而单个RIS仅能提供一条间接传输链路和相对较小的覆盖范围。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：解决双有源RIS辅助PLS传输系统功耗最小化问题，实现绿色通信。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，包括：
在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述双有源RIS辅助的PLS传输系统由一个配置M根发射天线的基站、一个单天线合法用户、一个单天线非法窃听节点、以及分别配置N 1和N 2个反射单元的有源RIS1和有源RIS2组成。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益包括：
将合法用户和窃听节点的接收信号分别表示为：
（1）；
（2）；
其中，表示合法用户的接收信号，/>表示窃听节点的接收信号，/>表示共轭转置操作；
表示有源RIS1与合法用户之间的信道衰落向量；式中/>表示/>维的复值矩阵空间；/>表示有源RIS1与非法窃听节点之间的信道衰落向量；表示有源RIS2与合法用户之间的信道衰落向量；/>表示有源RIS2与非法窃听节点之间的信道衰落向量；/>表示基站与有源RIS1各反射单元之间的信道衰落矩阵；/>表示有源RIS1与有源RIS2之间的信道衰落矩阵；
表示基站的波束成形向量；/>，分别表示有源RIS1和有源RIS2的反射系数，/>与/>分别表示有源RISi的第/>个反射单元的振幅与相位，并且/>，/>为虚数单位，表示对角化操作；
表示基站向合法用户和非法窃听节点发送的信息，其中/>，/>表示取数学期望操作，/>表示对复数取模操作；/>和/>分别表示有源RIS1，RIS2，合法用户和非法窃听节点处的高斯白噪声，分别服从零均值和方差为/>和/>的复高斯分布，记作/>，/>和/>，式中/>、/>表示/>维的零向量、/>表示/>维的单位矩阵。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率包括：
根据合法用户和窃听节点的接收信号，将合法用户和窃听节点的传输速率分别表示为：
（3）；
（4）；
其中，表示对向量取二范数操作；
合法用户端的安全速率为合法用户传输速率与非法窃听节点的传输速率之差。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述PLS传输系统总功耗包括基站消耗功率、有源RIS1以及有源RIS2消耗的功率，其中有源RIS1和有源RIS2消耗的功率表示为：
（5）；
（6）；
其中，表示对矩阵取F范数操作，系统的总功率消耗表示为：
（7）；
其中，和/>、/>和/>分别表示有源RIS1、RIS2的每个反射单元电路功率消耗和直流偏置功率消耗。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题包括：
通过联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化系统的总功率消耗，构建的优化问题如下：
；
其中，表示合法用户的PLS传输约束，/>是合法用户端的最小安全速率门限。
作为双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的一种优选方案，其中：
所述对优化问题进行求解包括：
利用交替优化算法进行迭代求解，将问题分解成三个子问题：
固定有源RIS1的反射系数和有源RIS2的反射系数/>，优化基站的波束成形向量/>，构建子问题/>如下：
（9）；
通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束，将子问题转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，对于求解后的/>，通过奇异值分解，恢复出优化后的基站的波束成形向量/>；
固定基站的波束成形向量和有源RIS2的反射系数/>，优化有源RIS的反射系数，构建子问题/>如下：
（10）；
针对中关于/>非凸约束（8a），利用连续凸逼近方法，将其转化为凸约束；通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束，将子问题/>转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，将求解得到的/>通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS反射系数/>；
固定基站的波束成形向量和有源RIS1的反射系数/>，优化有源RIS2的反射系数/>，构建子问题/>如下：
（11）；
针对中关于/>非凸约束（8a），利用连续凸逼近方法将其转化为凸约束，通过半正定松弛算法松弛非凸秩一约束，将该子问题转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，将求解得到的/>通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS2的反射系数/>；
对三个子问题采用交替优化算法进行迭代求解，直至目标函数收敛。
第二方面，本发明实施例提供了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化系统，包括：
信道增益获取模块，用于在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
计算模块，用于根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
优化问题构建模块，用于以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化PLS传输系统的总功率消耗，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
求解模块，用于对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法。
本发明的有益效果：为实现绿色通信和提高通信能效，本发明考虑了双有源RIS辅助的PLS传输系统，以保障合法用户端的安全速率为约束，构建PLS传输系统的功耗最小化问题，设计了基于交替优化的基站波束成形向量和双有源RIS反射系数的迭代优化算法；与单有源RIS辅助以及传统无源RIS辅助方案相比，本发明所提方案显著降低了PLS传输系统的功耗。
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。
图1 是本发明第一个实施例所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的整体流程图；
图2 是本发明第二个实施例所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的仿真实例中系统模型图；
图3 是本发明第二个实施例所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的仿真实例中反射单元总数N与PLS传输系统总功耗的关系图。
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。
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。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，如图1所示，包括：
S1：在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
具体的，所述双有源RIS辅助的PLS传输系统由一个配置M根发射天线的基站、一个单天线合法用户、一个单天线非法窃听节点、以及分别配置N 1和N 2个反射单元的有源RIS1和有源RIS2组成。
更进一步的，所述获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益包括：
将合法用户和窃听节点的接收信号分别表示为：
（1）；
（2）；
其中，表示合法用户的接收信号，/>表示窃听节点的接收信号，/>表示共轭转置操作；
表示有源RIS1与合法用户之间的信道衰落向量；式中/>表示/>维的复值矩阵空间；/>表示有源RIS1与非法窃听节点之间的信道衰落向量；表示有源RIS2与合法用户之间的信道衰落向量；/>表示有源RIS2与非法窃听节点之间的信道衰落向量；/>表示基站与有源RIS1各反射单元之间的信道衰落矩阵；/>表示有源RIS1与有源RIS2之间的信道衰落矩阵；
表示基站的波束成形向量；/>，分别表示有源RIS1和有源RIS2的反射系数，/>与/>分别表示有源RISi的第/>个反射单元的振幅与相位，并且/>，/>为虚数单位，/>表示对角化操作；
表示基站向合法用户和非法窃听节点发送的信息，其中/>，/>表示取数学期望操作，/>表示对复数取模操作；/>和/>分别表示有源RIS1，RIS2，合法用户和非法窃听节点处的高斯白噪声，分别服从零均值和方差为/>和/>的复高斯分布，记作/>，/>和/>，式中/>、/>表示/>维的零向量、/>表示/>维的单位矩阵。
S2：根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
具体的，所述计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率包括：
根据合法用户和窃听节点的接收信号，将合法用户和窃听节点的传输速率分别表示为：
（3）；
（4）；
其中，表示对向量取二范数操作；
合法用户端的安全速率为合法用户传输速率与非法窃听节点的传输速率之差。
S3：以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
具体的，所述PLS传输系统总功耗包括基站消耗功率、有源RIS1以及有源RIS2消耗的功率，其中有源RIS1和有源RIS2消耗的功率表示为：
（5）；
（6）；
其中，表示对矩阵取F范数操作，系统的总功率消耗表示为：
（7）；
其中，和/>、/>和/>分别表示有源RIS1、RIS2的每个反射单元电路功率消耗和直流偏置功率消耗。
更进一步的，所述构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题包括：
通过联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化系统的总功率消耗，构建的优化问题如下：
；
其中，表示合法用户的PLS传输约束，/>是合法用户端的最小安全速率门限。
S4：对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
具体的，所述对优化问题进行求解包括：
利用交替优化算法进行迭代求解，将问题分解成三个子问题：
固定有源RIS1的反射系数和有源RIS2的反射系数/>，优化基站的波束成形向量/>，构建子问题/>如下：
（9）；
应说明的是，针对中的约束（8a），令/>，，/>，，则（8a）可转化为：
（10）；
其中满足/>和/>，/>，/>，/>表示对矩阵取迹操作。进一步令/>，/>。因此，/>可重写为：
；
（11a）；
（11b）；
（10）；
由于使用了变换，原问题新增了（11a）和（11b）约束，（11a）约束保证/>为半正定矩阵，（11b）约束保证/>的秩为一。由于/>中仅约束（11b）是非凸约束，可利用半定松弛（SDR，Semidefinite Relaxation）方法进行处理，松弛秩一约束（11b）。至此，转化为凸问题，可用凸优化工具包CVX进行求解。对于CVX求解后的/>，通过奇异值分解，恢复出优化后的基站的波束成形向量/>；
更进一步的，固定基站的波束成形向量和有源RIS2的反射系数/>，优化有源RIS的反射系数/>，构建子问题/>如下：
（12）；
应说明的是，针对中的目标函数，令/>，，/>，/>，，则/>中目标函数可化简为：
（13）；
其中满足/>和/>，/>表示对矩阵取转置操作。为了提升算法收敛性，引入变量/>，并令/>，/>，，/>，/>，/>， ，/>，则（8a）可转化为：
（14）；
其中满足/>，针对非凸约束（14），利用连续凸逼近（SCA，Success ConvexApproximation）方法，应用一阶泰勒展开，可将（14）转化为：
（15）；
其中表示第k次迭代的/>。由此约束（8a）被转化为凸约束（15），/>可被重写为：
；
（16a）；
（16b）；
（16c）；
（16d）；
由于使用了变换，原问题新增了（16b）和（16c）约束，（16b）约束保证/>为半正定矩阵，（16c）约束保证/>的秩为一，其中（16c）约束是非凸约束，可利用SDR进行处理，松弛秩一约束（16c）。/>分别关于/>和/>是凸优化问题，可使用AO算法，交替优化和/>。当给定/>时，/>可被转化为：
；
（17a）；
（17b）；
其中。至此，可用凸优化工具包CVX进行求解。对于CVX求解后的/>，通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS1反射系数/>，同过交替优化/>和，直至目标函数收敛；
更进一步的，固定基站的波束成形向量和有源RIS1的反射系数/>，优化有源RIS2的反射系数/>，构建子问题/>如下：
(18）；
应说明的是，针对问题，令/>，/>，，目标函数可表示为：
（19）；
其中满足/>和/>。为了提升算法收敛性，引入变量/>，，/>，/>，，/>，/>，/>，/>，,/>，则（8a）可转化为：
（20）；
针对非凸约束（20），利用SCA方法，应用一阶泰勒展开，将（20）转化为：
（21）；
其中表示第k次迭代的/>。由此约束（8a）被转化为凸约束（21），/>可被重写为：
；
（22a）；
（22b）；
（22c）；
（22d）；
由于使用了变换，原问题新增了（22b）和（22c）约束，（22b）约束保证/>为半正定矩阵，（22c）约束保证/>的秩为一，其中（22c）约束是非凸约束，可利用SDR进行处理，松弛秩一约束（22c）。/>分别关于/>和/>是凸优化问题，可使用AO算法，交替优化和/>。当给定/>时，/>可被转化为：
；
（23a）；
（23b）；
其中。至此，/>可用凸优化工具包CVX进行求解。对于CVX求解后的/>，通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS2反射系数/>，同过交替优化/>和/>，直至目标函数收敛；
对上述三个子问题采用AO算法进行迭代求解，直至目标函数收敛。
上述为本实施例的一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的示意性方案。需要说明的是，双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化系统的技术方案与上述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的技术方案属于同一构思，本实施例中双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化系统的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的技术方案的描述。
本实施例中双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化系统，包括：
信道增益获取模块，用于在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
计算模块，用于根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
优化问题构建模块，用于以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化PLS传输系统的总功率消耗，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
求解模块，用于对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
本实施例还提供一种计算设备，适用于双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的情况，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双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法。
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双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法。
本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化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
参照图2-图3，为本发明的一个实施例，提供了一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证。
本实施例在计算机上利用MATLAB工具实现，模型图如图2所示，在仿真中设信道间相互独立，信道状态信息在相关时间块中保持恒定。基站坐标，有源RIS1坐标/>，有源RIS2坐标/>，合法用户坐标/>，非法窃听节点坐标/>，单位为米。基站到有源RIS1的信道为/>，其路径损耗因子为2.2，有源RIS1到有源RIS2的信道为/>，其路径损耗因子为2.3，有源RIS1到合法用户的信道为/>，其路径损耗因子为2.3，有源RIS1到非法窃听节点的信道为/>，其路径损耗因子为2.3，有源RIS2到合法用户的信道为/>，其路径损耗因子为2.2，有源RIS2到非法窃听节点的信道为/>，其路径损耗因子为2.2，均服从于莱斯分布，参考距离1米的路径衰落为-30dB。基站的天线数/>，有源RIS1和有源RIS2的反射单元数/>，噪声功率/>。有源RIS1和有源RIS2每个反射单元的电路功耗和直流偏置功耗分别为/>，/>，合法用户端最小安全速率门限为/>，合法用户端和非法窃听节点端噪声。
图3为本实例中反射单元总数与PLS传输系统总功耗的关系图，其中。从图中可以看出：本发明提出的方案的系统总功耗上远小于单个有源RIS或传统无源RIS辅助的对比方案。但随着反射单元数的增加，本发明中的系统总功耗出现先下降后增加的趋势，这是因为在合法用户端安全速率约束下，联合优化双有源RIS的反射系数，能够更大程度的降低基站的发射功耗，但当有源RIS反射单元数逐渐增加时，有源RIS的硬件功耗也会随之增加，进而系统总功耗也随之增加，但其始终小于单有源RIS辅助的对比方案的总功耗。
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)
1.一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，包括：
在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
2.如权利要求1所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，包括：
所述双有源RIS辅助的PLS传输系统由一个配置M根发射天线的基站、一个单天线合法用户、一个单天线非法窃听节点、以及分别配置N 1和N 2个反射单元的有源RIS1和有源RIS2组成。
3.如权利要求2所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，所述获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益包括：
将合法用户和窃听节点的接收信号分别表示为：
（1）；
（2）；
其中，表示合法用户的接收信号，/>表示窃听节点的接收信号，/>表示共轭转置操作；
表示有源RIS1与合法用户之间的信道衰落向量；式中/>表示/>维的复值矩阵空间；/>表示有源RIS1与非法窃听节点之间的信道衰落向量；/>表示有源RIS2与合法用户之间的信道衰落向量；/>表示有源RIS2与非法窃听节点之间的信道衰落向量；/>表示基站与有源RIS1各反射单元之间的信道衰落矩阵；表示有源RIS1与有源RIS2之间的信道衰落矩阵；
表示基站的波束成形向量；/>，/>分别表示有源RIS1和有源RIS2的反射系数，/>与/>分别表示有源RISi的第/>个反射单元的振幅与相位，并且/>，/>为虚数单位，/>表示对角化操作；
表示基站向合法用户和非法窃听节点发送的信息，其中/>，/>表示取数学期望操作，/>表示对复数取模操作；/>和/>分别表示有源RIS1，RIS2，合法用户和非法窃听节点处的高斯白噪声，分别服从零均值和方差为/>和/>的复高斯分布，记作/>，/>和/>，式中/>、表示/>维的零向量、/>表示/>维的单位矩阵。
4.如权利要求3所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，所述计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率包括：
根据合法用户和窃听节点的接收信号，将合法用户和窃听节点的传输速率分别表示为：
（3）；
（4）；
其中，表示对向量取二范数操作；
合法用户端的安全速率为合法用户传输速率与非法窃听节点的传输速率之差。
5.如权利要求4所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，所述PLS传输系统总功耗包括基站消耗功率、有源RIS1以及有源RIS2消耗的功率，其中有源RIS1和有源RIS2消耗的功率表示为：
（5）；
（6）；
其中，表示对矩阵取F范数操作，系统的总功率消耗表示为：
（7）；
其中，和/>、/>和/>分别表示有源RIS1、RIS2的每个反射单元电路功率消耗和直流偏置功率消耗。
6.如权利要求5所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，所述构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题包括：
通过联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化系统的总功率消耗，构建的优化问题如下：
；
其中，表示合法用户的PLS传输约束，/>是合法用户端的最小安全速率门限。
7.如权利要求6所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法，其特征在于，所述对优化问题进行求解包括：
利用交替优化算法进行迭代求解，将问题分解成三个子问题：
固定有源RIS1的反射系数和有源RIS2的反射系数/>，优化基站的波束成形向量/>，构建子问题/>如下：
（9）；
通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束，将子问题转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，对于求解后的/>，通过奇异值分解，恢复出优化后的基站的波束成形向量/>；
固定基站的波束成形向量和有源RIS2的反射系数/>，优化有源RIS的反射系数/>，构建子问题/>如下：
（10）；
针对中关于/>非凸约束（8a），利用连续凸逼近方法，将其转化为凸约束；通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束，将子问题/>转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，将求解得到的/>通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS反射系数/>；
固定基站的波束成形向量和有源RIS1的反射系数/>，优化有源RIS2的反射系数/>，构建子问题/>如下：
（11）；
针对中关于/>非凸约束（8a），利用连续凸逼近方法将其转化为凸约束，通过半正定松弛算法松弛非凸秩一约束，将该子问题转化为凸优化问题，使用凸优化工具包进行求解，将求解得到的/>通过奇异值分解，恢复出优化后的有源RIS2的反射系数/>；
对三个子问题采用交替优化算法进行迭代求解，直至目标函数收敛。
8.一种采用如权利要求1~7任一所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的系统，其特征在于，包括：
信道增益获取模块，用于在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中，获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益；
计算模块，用于根据所述信道增益，计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率；
优化问题构建模块，用于以保障合法用户端的安全速率为约束，联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数，最小化PLS传输系统的总功率消耗，构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题；
求解模块，用于对优化问题进行求解，得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗。
9.一种计算设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任意一项所述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410466939.0A CN118075852A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种双有源ris辅助的pls传输系统功耗优化方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CN202410466939.0A Pending CN118075852A (zh) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | 一种双有源ris辅助的pls传输系统功耗优化方法及系统 |
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2024
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