面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法

1.本发明属于智能超表面(ris)辅助的无线通信系统应用领域，具体涉及一种面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法。


背景技术：

2.随着移动通信的不断发展，无线频谱资源的稀缺性使得通信系统的工作频率不断升高，从而导致无线网络覆盖难、能耗高的问题也越来越突出，成为制约移动通信产业的痛点。而智能超表面是一种全新的无线通信增强技术，将有望解决这两大痛点。该技术融合了人工电磁超材料技术和现代移动通信技术，是一门前沿交叉学科。智能超表面上的电磁反射元件的反射相位可以被软件实时调控，从而协同实现对入射电磁波的智能化操纵，将无线信号定向反射至用户终端。同时，由于其低成本、低功耗、易于部署等特性，该技术将有望成为5g+/6g的关键技术之一，也是国际竞争异常激烈的研究热点。
3.目前，智能超表面还处于一个发展阶段。在安全通信场景中，为提升用户保密速率，解决频谱资源紧缺问题,现有的方案大多以ris反射相位为优化变量，基于保密速率构建优化问题，而后采用诸如神经网络算法进行求解。这些方案算法复杂度高，实现成本高，实现起来有困难。
4.因此，目前需要一种低复杂度智能超表面相位控制方法，在实现难度低的前提下，性能有所提升。


技术实现要素：

5.针对现有的智能超表面相位控制方法复杂度高且计算耗时长的问题，本发明公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，不依赖诸如神经网络等高复杂度算法进行相位求解，而是基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，从而将相位求解用数学公式量化，能够降低低复杂度智能超表面相位控制方法的复杂度；此外还考虑智能超表面中每个反射单元之间的距离差导致信道状态信息的变化，以及前一个反射单元相位确定后对等效信道状态信息的影响，提高信道参数估计精度，能够保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率。
6.为达到以上的目的，本发明采用以下技术方案。
7.本发明公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，包括如下步骤：
8.步骤一：考虑智能超表面ris每个反射单元位置坐标差异导致的距离差异，构建信道衰落模型；根据信道衰落模型提高信道状态信息估计精度，从而提高相位估计的精度，有利于提升保密速率。
9.ris首先收集发送端至ris的信道状态信息h
tr
＝[h
tr,1
,h
tr,2
,...,h
tr,n
]
t
、ris至接收端的信道状态信息h
ru
＝[h
ru,1
,h
ru,2
,...,h
ru,n
]
t
、ris至窃听端的信道状态信息h
re
＝
[h
re,1
,h
re,2
,...,h
re,n
]
t
、发送端至接收端的信道状态信息h
tu
以及发送端至窃听端的信道状态信息h
te
，其中h
tr,n
表示发送端至ris第n个反射单元的信道状态信息，h
ru,n
表示ris第n个反射单元至接收端的信道状态信息，h
re,n
表示ris第n个反射单元至窃听端的信道状态信息，n表示ris中反射单元的个数。
[0010]
对于上述涉及到的所有信道状态信息的估计，在此只考虑大尺度衰落带来的影响。对于大尺度衰落，由距离导致的路径损耗模型由下式给出：
[0011]
l(d)＝c0(d/d0)-α
,d∈{d
tu
,d
te
,d
tr,n
,d
ru,n
,d
re,n
}
[0012]
其中c0是参考距离d0时的路径损耗，α是路径损耗因子，d
tu
、d
te
、d
tr,n
、d
ru,n
、d
re,n
分别表示发送端至接收端、发送端至窃听端、发送端至ris第n个反射单元、ris第n个反射单元至接收端、ris第n个反射单元至窃听端的距离。
[0013]
所述路径损耗模型即为信道衰落模型。
[0014]
信道状态信息h表示如下，θ代表信号在每条路径上的相位。
[0015][0016]
步骤二：基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，并考虑均分两相位得到的多个相位，从而将相位求解公式量化，以降低低复杂度智能超表面相位控制方法的复杂度，提高计算速率，提高相位调控效率。
[0017]
当为ris中的第一个反射单元确定相位时，发送端至接收端的等效信道状态信息发送端至窃听端的等效信道状态信息ris的反射单元能够用来增强发送端至接收端的传输增益，在此情况下，ris的第一个反射单元相位应设置为ris的反射单元也能够用来抑制发送端至窃听端的传输增益，在此情况下，ris的第一个反射单元相位应设置为此外，还将考虑m个在两个相位中间的相位。为此，令当时，该反射单元的可能相位集合为
[0018][0019]
当时，该反射单元的相位集合为
[0020][0021]
其中表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最大值，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发
送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最小值。
[0022]
所述相位集合即为相位求解公式，根据上述相位求解公式量化求解预测智能超表面反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，提高相位调控效率。
[0023]
步骤三：根据保密速率确定反射单元的相位，选择最大保密速率下对应的智能超表面ris相位，以保证保密速率性能提升最大。
[0024]
对于反射单元的可能相位集合中的每个元素，计算相应的保密速率。第一个反射单元m+2个相位下用户速率、窃听速率、保密速率分别表示为
[0025][0026][0027][0028]
其中p表示发送端的发射功率，σ2表示接收噪声。比较m+2个相位情况下的保密速率r
sec
，选择最大保密速率对应的反射单元相位，第一个反射单元相位配置完成，以保证保密速率性能提升最大。
[0029]
步骤四：考虑之前反射单元相位配置完成后对等效状态信息的影响，构建等效信道状态信息量化更新公式，提升相位估计精度；根据所述等效信道状态信息量化更新公式更新等效信道状态信息，实现单个反射单元相位配置，提高单个反射单元相位配置精度，从而提升保密速率。
[0030]
考虑之前反射单元相位配置完成后对等效状态信息的影响，构建等效信道状态信息量化更新公式，即发送端至接收端、发送端至窃听端的等效状态信息分别表示为
[0031]
其中1≤n≤n
[0032]
其中1≤n≤n
[0033]
根据上述等效信道状态信息量化更新公式量化前一个反射单元相位配置完成后对等效信道状态信息的影响，并更新等效信道状态信息，实现单个反射单元相位配置，提高单个反射单元相位配置精度，从而提升保密速率。
[0034]
步骤五：智能超表面ris有n个反射单元，按照步骤一至步骤四所述单个反射单元相位配置方法，对剩余反射单元依次进行相位配置，保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率，直至完成智能超表面ris相位高精度高效率配置，实现面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位高精度高效率控制，进而提高面向物理层安全通信效率和保密性。
[0035]
按照步骤一至步骤四所述单个反射单元相位配置方法，配置到第n(2≤n≤n)个反射单元下以增强发送端至接收端的传输增益和抑制发送端至窃听端的传输增益两种情况
下对应的反射单元相位表示为
[0036][0037][0038]
用户速率、窃听速率、保密速率分别表示为
[0039][0040][0041][0042]
有益效果：
[0043]
1、本发明公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，基于智能超表面调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，从而将相位求解用数学公式量化，不依赖诸如神经网络等高复杂度算法进行相位求解，能够降低低复杂度智能超表面相位控制方法的复杂度。
[0044]
2、本发明公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，通过考虑之前反射单元相位配置完成后对等效状态信息的影响，构建等效信道状态信息量化更新公式，提升相位估计精度；根据所述等效信道状态信息量化更新公式更新等效信道状态信息，实现单个反射单元相位配置，提高单个反射单元相位配置精度，从而提升保密速率。
[0045]
3、本发明公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，在单个反射单元相位配置实现上述有益效果1和有益效果2基础个，对所有反射单元依次进行相位配置，保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率，直至完成智能超表面ris相位高精度高效率配置，实现面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位高精度高效率控制，进而提高面向物理层安全通信效率和保密性。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，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他的附图。
[0047]
图1是本发明公开的一种面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法实现流程示意图；
[0048]
图2是一种ris辅助的保密通信系统模型图；
[0049]
图3是由ris辅助的5组单用户、单窃听者的3-d坐标场景；
[0050]
图4是在实施例中采用本发明的方法后系统保密速率性能比较示意图。
具体实施方式
[0051]
为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0052]
实施例1：
[0053]
如图1所示，本实施例公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，具体实现步骤如下：
[0054]
步骤一：考虑ris每个反射单元位置坐标差异导致的距离差异，根据信道衰落模型高精度估计信道状态信息，从而保证相位估计的精度，有利于提升保密速率。
[0055]
考虑基于ris辅助的安全通信系统，在存在一个单天线窃听者的情况下，单天线基站(bs)与一个单天线合法用户建立可靠链路，发送端为bs,接收端为用户，窃听端为窃听者，具体如图2所示。
[0056]
ris首先收集bs至ris的信道状态信息h
tr
＝[h
tr,1
,h
tr,2
,...,h
tr,n
]
t
、ris至用户的信道状态信息h
ru
＝[h
ru,1
,h
ru,2
,...,h
ru,n
]
t
、ris至窃听者的信道状态信息h
re
＝[h
re,1
,h
re,2
,...,h
re,n
]
t
、bs至用户的信道状态信息h
tu
以及bs至窃听者的信道状态信息h
te
，其中h
tr,n
表示bs至ris第n个反射单元的信道状态信息，h
ru,n
表示ris第n个反射单元至用户的信道状态信息，h
re,n
表示ris第n个反射单元至窃听者的信道状态信息，n表示ris中反射单元的个数，n＝64。
[0057]
对于上述系统中涉及到的所有信道状态信息的估计，我们在此只考虑大尺度衰落带来的影响。对于大尺度衰落，由距离导致的路径损耗模型由下式给出
[0058]
l(d)＝c0(d/d0)-α
,d∈{d
tu
,d
te
,d
tr,n
,d
ru,n
,d
re,n
}
[0059]
其中c0是参考距离d0＝1m时的路径损耗，α是路径损耗因子，d
tu
、d
te
、d
tr,n
、d
ru,n
、d
re,n
分别表示bs至用户、bs至窃听者、bs至ris中第n个反射单元、ris中第n个反射单元至用户、ris中第n个反射单元至窃听者的距离。在这里我们假设c0＝-30db，bs至用户、bs至窃听者、bs至ris、ris至用户、ris至窃听者链路的路径损耗因子分别设置为α
tu
＝2，α
te
＝2.3，α
tr
＝2，α
ru
＝2，α
re
＝2.8，那么信道状态信息可以表示如下，θ代表信号在每条路径上的相位。
[0060][0061]
相位θ的求解可以通过下式计算，其中波长λ＝c/f，光速c＝3
×
108m/s，距离d根据坐标位置求解，我们设置信号频率f＝5
×
109hz。
[0062]
θ＝2π
·
(dmodλ)/λ,d∈{d
tu
,d
te
,d
tr,n
,d
ru,n
,d
re,n
}
[0063]
为了避免单次实验结果的偶然性，我们设置5组用户、窃听者位置坐标，以观察我们提出的方法是否有性能上的提升。简单起见且不失一般性，我们考虑一个3-d场景，具体如图3所示。基站bs位置坐标设置为(0m,-50m,3m)，5组用户坐标分别设置为(10m,5m,1.5m)、(20m,5m,1.5m)、(30m,5m,1.5m)、(40m,5m,1.5m)、(50m,5m,1.5m)，窃听者位置坐标均设置为(-60m,0m,1.5m)，ris中第一个反射单元的位置坐标为(60m,10m,6m)，64个反射单元按照8
×
8排列，剩余反射单元的坐标(60m+i
×
dis,10m+j
×
dis,6m)，其中0≤i≤7，0≤j≤7，计算时j固定，i从0递增到7，dis为相邻两个反射面之间横坐标或者纵坐标的距离差，我们在此令dis＝10cm。
[0064]
步骤二：基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，反相时抑制信号，以及考虑均分两相位得到的多个相位，从而将相位求解公式量化，以降低算法复杂度，提高计算速率。
[0065]
当为ris中的第一个反射单元确定相位时，发送端至接收端的等效信道状态信息发送端至窃听端的等效信道状态信息ris的反射单元能够用来增强发送端至接收端的传输增益，在此情况下，ris的第一个反射单元相位应设置为ris的反射单元也能够用来抑制发送端至窃听端的传输增益，在此情况下，ris的第一个反射单元相位应设置为此外，还将考虑m＝8个在两个相位中间的相位。为此，令当时，该反射单元的可能相位集合为
[0066][0067]
当时，该反射单元的相位集合为
[0068][0069]
其中表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最大值，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最小值。
[0070]
步骤三：根据保密速率确定反射单元的相位，选择最大保密速率下对应的ris相位，以保证保密速率性能提升最大。
[0071]
对于反射单元的可能相位集合中的每个元素，计算相应的保密速率。第一个反射单元m+2＝10个相位下用户速率、窃听速率、保密速率分别表示为
[0072][0073][0074][0075]
其中p表示发送端的发射功率，这里设置发射功率p＝0.2w。比较m+2＝10个相位情
况下的保密速率r
sec
，选择最大保密速率对应的反射单元相位，第一个反射单元相位配置完成。
[0076]
步骤四：量化前一个反射单元相位配置完成后对等效信道状态信息的影响，根据数学公式更新等效信道状态信息，提升相位估计精度，从而提升保密速率。
[0077]
发送端至接收端、发送端至窃听端的等效状态信息分别表示为
[0078][0079][0080]
步骤五：ris有n＝64个反射单元，上述步骤详细介绍了对于其中一个反射单元相位配置方式，剩余反射单元相位配置可以基于步骤二至步骤四的过程依次完成，ris相位配置完成，对于系统整体保密速率提升最大。
[0081]
配置到第n(2≤n≤64)个反射单元下以增强发送端至接收端的传输增益和抑制发送端至窃听端的传输增益两种情况下对应的反射单元相位表示为
[0082][0083][0084]
用户速率、窃听速率、保密速率分别表示为
[0085][0086][0087][0088]
采用本发明的方法后系统保密速率性能比较如图4所示，可以看出采用智能超表面相位控制方法后系统保密速率比无智能超表面情况下有一定的提升。综上，本实施例主要提出了一种面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，可以提升保密通信系统的性能。
[0089]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。