一种智能反射面辅助安全通信系统的联合优化方法

本发明属于通信安全领域，具体涉及一种智能反射面辅助安全通信系统的联合优化方法。

背景技术：

1、近年来，针对物理层安全的传输技术已被深入研究，如协同干扰、人工噪声辅助波束形成和协同中继方案等；然而，对于协同干扰和添加人工噪声的技术，需要额外的功率；此外，大量有功继电器；智能反射面(irs)作为第六代通信的潜在技术，引起了广泛的关注。

2、在无线通信系统中，irs通常用作中继以辅助传输；与传统的继电器不同，irs是一种由数字平台控制的无源阵列结构，可以动态调整反射元件，完成波束形成。此外，由于irs可以通过反射增加合法接收者的信号功率，同时减少窃听者的信号功率，因此已被广泛用于处理物理层安全问题。

3、现有的irs辅助的安全传输系统中，irs通常部署在固定的地面位置，限制了性能改进；实际上，irs位置的优化为提高传输性能提供了一个新的自由度，这很少被研究。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能反射面辅助安全通信系统的联合优化方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种智能反射面辅助安全通信系统的联合优化方法，包括以下步骤：

4、构建由irs辅助的安全通信系统和联合优化问题，并将优化问题分解为：基站传输波束形成向量求解、irs反射矩阵优化以及irs位置优化三个子问题；

5、利用广义瑞利商，求解基站传输波束形成向量的最优闭式解；

6、将irs反射矩阵优化问题转化为可处理形式，并用半定松弛法进行求解；

7、基于求解出的基站传输波束形成向量和irs反射矩阵，并利用基于菌群优化的算法，来优化irs的位置。

8、进一步地，所述安全通信系统包括：具有若干反射元素的irs，以及具有若干发射天线的基站，基站向user和eve提供服务。

9、进一步地，所述优化问题为：

10、

11、式中，[hmin,hmax]是irs的高度范围，p是bs的传输功率，w为传输波束形成向量，θ为反射矩阵，g为irs的位置。

12、进一步地，求解基站传输波束形成向量的最优闭式解的步骤包括：

13、s21，固定问题p1中irs的位置和反射矩阵，所有的传输功率都被分配给波束形成，即，||w||2＝p，问题p1中，目标函数的分子和分母满足等式：

14、

15、式中，是一个单位矩阵，并且其中，

16、s22，将式(9)代入式(8)，得到一个广义瑞利商：

17、

18、并得到传输波束向量的最优闭式解：

19、

20、其中，

21、进一步地，求解irs反射矩阵的步骤包括：

22、s31，利用给定的irs位置和传输波束，将反射矩阵问题等价地改写为：

23、

24、s32，令基于vhv＝n，问题p2中目标函数的分子与分母为：

25、

26、将(11)代入问题p2，并应用charnes cooper转换方法将问题p2转换为：

27、

28、式(12)中，

29、s33，没有秩1约束的问题p3是一个标准的半定规划问题，可以用凸优化工具；当求出的次优解是秩一的，可以采用特征值分解来还原秩一解，当求出的次优解不是秩一时，采用高斯随机化方法来还原秩一解。

30、进一步地，所述高斯随机化方法先对次优解进行特征值分解，得到：

31、vopt＝lλlh

32、其中，是一个酉矩阵，λ＝[λ1,…,λn]是特征值的向量的对角阵；

33、为了满足恒模约束|vn|＝1，irs的元素取其中，

34、进一步地，优化irs位置的步骤包括：

35、s41，构建irs的位置优化问题，具体为：

36、

37、在问题p4中，信道和h都是由irs的位置决定；并采用bso算法来求解问题p4；

38、s42，每个细菌都由irs的位置表示，即g＝[x,y,h]t，选择问题p4中的目标函数值代表每个细菌的适应度，表示为r；细菌的数量表示为ηmax；趋化，繁殖和扩散的步数分别表示为nj,nk,nl；因此，在趋化过程中，第η个细菌的更新遵循以下规则：

39、

40、式(14)中，c(η)是细菌游动步数的大小，δ(η)是随机方向向量，其元素范围在[-1,1]内；第η个细菌的适应度值的更新基于更新的细菌，即irs位置；

41、s43，每个细菌在经过趋化后，通过一个粒子群优化操作符进行突变，这时，第η个细菌的游动速度v和位置g遵循以下规则：

42、

43、

44、式中，ω和c1是惯性权重和学习因子，ε1是[0,1]内随机数，gb是记录整个菌群中适应度最大的细菌位置，s是pso算子的迭代次数；

45、s44，细菌进行繁殖并保持信息不变；

46、s45，细菌会以扩散概率ped迁移到其他随机位置，随机位置得到的适应度值与已有细菌的适应度值进行比较，记录最大的适应度值及其细菌所在的位置，并再次趋化、繁殖和扩散，直到结束其步数nj,nk,nl。

47、一种智能反射面辅助安全通信系统，包括具有若干反射元素的irs，以及具有若干发射天线的基站，基站向user和eve提供服务；并且通过上述联合优化方法来对基站传输波束形成向量、irs反射矩阵以及irs的位置进行联合优化。

48、一种用于优化智能反射面辅助安全通信系统的设备，包括：

49、模型和问题构建模块：构建由irs辅助的安全通信系统和联合优化问题，并将优化问题分解为：基站传输波束形成向量求解、irs反射矩阵优化以及irs位置优化三个子问题；

50、传输波束形成向量求解模块：利用广义瑞利商，求解基站传输波束形成向量的最优闭式解；

51、反射矩阵优化模块：将irs反射矩阵优化问题转化为可处理形式，并用半定松弛法进行求解；

52、以及，irs位置优化模块：基于求解出的基站传输波束形成向量和irs反射矩阵，并利用基于菌群优化的算法，来优化irs的位置。

53、本发明的有益效果：

54、1、在通信系统中引入irs，能够通过有效的信号反射增加通信链路，增加接收端的信号接收。此外，通信系统中存在窃听者时，还能够通过调整irs的相移来减少窃听者的接收信号，确保通信安全。

55、2、在irs辅助的安全通信系统中，irs的位置很少被考虑到，一般假设其固定在大楼墙面上，然后联合优化基站的传输波束向量与irs的反射矩阵，这限制了性能提升；实际上，irs的位置优化能够给通信系统提供一个新的自由度；本发明考虑了基站传输波束向量、irs反射矩阵与irs三维坐标位置的联合优化，其中，irs能够被放置在室内天花板或者室外空中平台上；固定irs位置的情况相比，优化irs的位置能够有效提高安全性能。

56、3、在irs辅助的安全通信系统中考虑irs的三维位置优化，使得优化问题与之不同，优化问题中的变量严重耦合导致问题复杂而难解；因此，采用交替优化方法对基站传输波束向量、irs反射矩阵和irs的位置进行联合优化；其中，irs的位置优化问题难以转化为凸问题，因此，采用bso算法来求解；bso是细菌觅食算法(bfoa)与粒子群算法(pso)的混合方法，它叠加了bfoa的局部搜索能力和pso的全局搜索能力，可以避免过早收敛和错误搜索。