一种适用于多智能反射面辅助NOMA系统的短包安全传输方法

本发明涉及通信，具体涉及一种适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法。

背景技术：

1、智能反射面是由大量低成本的被动无源反射单元组成的平面，被置于通信的发送端与接收端之间。智能反射面的每个反射单元都能够独立地改变入射信号的相位，因此，通过调整反射单元上的相移，就可改变无线传播环境。智能反射面技术的出现，打破了通过设计高性能收发机改善通信系统性能的传统方法，对未来的通信系统产生了颠覆性影响。

2、近年来，随着无线通信技术的发展，通信规模日益增大，通讯业务呈多样性、多元化趋势发展，通信产业的频谱资源供不应求。noma技术摆脱了正交性的约束，在信号发送端通过功率复用或叠加编码，使不同用户可以占用相同的频谱、时间等资源。该技术可实现多个用户的资源共享，提高系统的频谱效率。同时，信息化时代网络安全通信的问题也越发突出，隐私泄露、财产损失和恶意入侵等安全事件频发。另一方面，海量的短包数据交互也是第五代及下一代移动通信主要的数据类型，其在各类军用民用场景中都广泛存在。基于此，应用智能反射面技术和noma技术，本发明提出了一种短包安全传输方法，在保障短包可靠传输的前提下，可最优化其安全传输。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，本发明应用智能反射面技术和noma技术，在保障短包可靠传输的前提下，可最优化其安全传输。

2、技术方案：本发明所述的适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，所提系统包含一个信源节点s、k个智能反射面irs、两个合法用户d1、d2和一个没有外来能源供给的窃听节点e；s发送私密的短包数据给d1、d2，irs反射s发送的数据；窃听节点e从接收到的射频信号中采集能量，同时也企图窃取d1、d2的私密数据；每个智能反射面部署n个智能反射单元；

3、该短包安全传输方法，包括以下步骤：

4、步骤1：一次信息传输占用t时间，在前(1-τ)t时间内，s发送导频信号从中确定使得窃听者e采集到的能量eke≥eth所对应的智能反射面集合su；从该集合su中，选择最优的智能反射面irsk*；基于irsk*，确定最优的功率分配系数α*；其中，x1和x2分别为发送给d1、d2的导频信号，ps为s处发射功率，α为功率分配系数，0.5＜α＜1，eth为某一固定门限，0＜τ＜1为时间转换因子；

5、步骤2：在接下来的τt时间内，利用步骤1所确定的irsk*和α*，s和用户d1、d2通信，窃听者e采集能量并试图窃取di的私密数据，i＝1，2；具体为：s发送信号窃听者e从s的发射信号和irsk*的反射信号中采集能量并试图窃取di的私密数据；di通过直传链路和irsk*的反射链路接收信号，s1和s2分别为s发送给d1、d2的私密短包数据。

6、进一步的，步骤1中，e采用ps模式从接收到的射频信号中收集能量，其中用于能量采集的功率分割因子为μ，用于信息译码的功率分割因子为(1-μ)，根据ps协议，e从s的发射信号和irsk的反射信号中采集到的能量eke为：

7、

8、其中，η(0＜η＜1)代表能量转换效率，gse为链路s→e的信道衰落系数，为链路s→irsk的信道衰落系数，为链路irsk→e的信道衰落系数，为hsk的共轭转置，表示irsk上的相移矩阵，βk，l是irsk的第l个反射单元的振幅反射系数，l∈{1，2，...，n}，k∈{1，2，...，k}为第k个智能反射面，代表n×1的复数矩阵。

9、进一步的，步骤1中，所选取的智能反射面irsk*满足下式：

10、

11、其中，为d1处总的信道增益，为d2处总的信道增益，为链路s→di的信道衰落系数，为链路irsk→di的信道衰落系数i＝1，2，k∈su。

12、进一步的，步骤1中，所选取的最优的功率分配系数α*满足α*＝arg max{min{r1，r2}}；

13、其中，r1和r2分别为d1和d2处保密速率的下界，记为：

14、

15、

16、其中，分别为d1和d2处的接收信噪比，分别为x1和x2在e处的接收信噪比，q-1(·)是高斯q函数的逆函数，m为短包的码长，∈i和δi分别为解码错误概率和信息泄露量，i∈{1，2}。

17、进一步的，步骤1中，e处的接收信噪比和分别为：

18、

19、

20、其中α为d1处的功率分配系数0.5＜α＜1，为链路s→irsk*的信道衰落系数，为链路irsk*→e的信道衰落系数，为hsk*的共轭转置，表示irsk*上的相移矩阵，βk*，l是irsk*的第l个反射单元的振幅反射系数，l∈{1，2，...，n}，n0表示噪声功率；

21、d1和d2处的接收信噪比和分别为：

22、

23、

24、其中为链路irsk*→di的信道衰落系数。

25、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：结合智能反射面、noma和能量采集技术，使用合法用户处总的信道增益来选择最优智能反射面，通过优化功率分配系数来优化保密速率下界，在考虑通信的可靠性的前提下，最大化整个通信系统的保密传输速率下界，保证了系统短包数据的安全传输；此外，所提方案也保证了能量采集用户可以采集到一定的能量，具有重要的意义和实用价值。

技术特征：

1.一种适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，其特征在于，所提系统包含一个信源节点s、k个智能反射面irs、两个合法用户d1、d2和一个没有外来能源供给的窃听节点e；s发送私密的短包数据给d1、d2，irs反射s发送的数据；窃听节点e从接收到的射频信号中采集能量，同时也企图窃取d1、d2的私密数据；每个智能反射面部署n个智能反射单元；

2.根据权利要求1所述的适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，其特征在于：步骤1中，e采用ps模式从接收到的射频信号中收集能量，其中用于能量采集的功率分割因子为μ，用于信息译码的功率分割因子为(1-μ)，根据ps协议，e从s的发射信号和irsk的反射信号中采集到的能量eke为：

3.根据权利要求1所述的适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，其特征在于，步骤1中，所选取的智能反射面满足下式：

4.根据权利要求1所述的适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，其特征在于，步骤1中，所选取的最优的功率分配系数α*满足α*＝arg max{min{r1，r2}}；

5.根据权利要求4所述的适用于多智能反射面辅助noma系统的短包安全传输方法，其特征在于，步骤1中，e处的接收信噪比和分别为：

技术总结
本发明公开了一种适用于多智能反射面辅助NOMA系统的短包安全传输方法，所提系统为一个信源节点S、K个智能反射面IRS、两个合法用户D<subgt;1</subgt;、D<subgt;2</subgt;；一个没有外来能源供给需要进行能量采集的窃听节点E。包括以下步骤，S发送导频信号，E从S的发送信号和IRS的反射信号中采集能量，确定使得E采集到的能量大于某一门限所对应的智能反射面集合S<subgt;U</subgt;；从S<subgt;U</subgt;中，选择最优的IRS<subgt;k*</subgt;；基于IRS<subgt;k*</subgt;，确定最优的功率分配系数α<supgt;*</supgt;以最大化D<subgt;1</subgt;和D<subgt;2</subgt;处的保密速率下界，保证数据的安全传输；在IRS<subgt;k*</subgt;的协助下，S采用NOMA协议向D<subgt;1</subgt;、D<subgt;2</subgt;发送私密的短包数据，同时E不但采集能量也试图窃取D<subgt;1</subgt;、D<subgt;2</subgt;的私密数据。该方法在保证能量采集用户采集到的一定能量的前提下，能保证D<subgt;1</subgt;、D<subgt;2</subgt;短包数据的安全传输。

技术研发人员：杨睛,王清文,丁杰
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12