一种无蜂窝大规模MIMO的RIS部署方法及系统

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种无蜂窝大规模mimo的ris部署方法及系统。

背景技术：

1、无蜂窝大规模mimo技术能够利用密集部署的接入点消除小区边界限制，缓解甚至消除传统大规模mimo系统中存在的严重的小区间干扰，同时也因均衡接入点分布消除了中心与边缘用户差异，保证服务质量在高速移动性下的无缝衔接。然而，超密集的接入点部署额外增加了大量有线回程链路和回程数据传输，使得系统能耗激增。

2、ris集成了大量低成本、带有相移控制器的被动反射元件，可通过调节反射元件的相位，将入射信号反射到所需的方向，从而有效提高接受信号的强度。与传统中继设备相比，ris没有噪声放大和自干扰，还具有低能耗和易于部署的特点。因此，在通信系统中，将部分接入点替换为ris，可大大降低系统能耗；在原有系统的基础上额外增加ris，能获得可观的速率提升。由于其独特的优势，ris被提出作为无蜂窝大规模mimo系统能耗问题的解决方案。

3、由于无线信号固有的广播特性，覆盖范围内的任何用户理论上都能接收到无线信号，并发起各种攻击(窃听、监视等)。ris的相位调整能同时增加合法用户信号强度和削弱非法用户信号强度，从而提升合法用户的安全速率，在提高系统安全性方面表现出了良好的性能。

4、然而，现有的ris辅助的无蜂窝大规模mimo研究尚未涉及ris的位置部署在安全通信问题中的影响。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种无蜂窝大规模mimo的ris部署方法，用来解决实际问题中，传统方法未考虑ris位置部署在安全通信中造成影响和系统物理安全性差的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种无蜂窝大规模mimo的ris部署方法，包括：

5、构建一个无蜂窝大规模mimo点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者eve；

6、利用ris增强系统物理层安全性，并计算在ris辅助下目标用户的下行可达安全速率；

7、以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到ris的最优相移和部署位置。

8、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：所述构建一个无蜂窝大规模mimo点，包括：

9、设有一个无蜂窝大规模mimo系统，存在m个接入点，k个用户在平面内均匀分布，且有一个窃听者存在于系统中；

10、其中，所有接入点、用户和窃听者均为单天线设备。

11、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：利用ris增强系统物理层安全性，包括：

12、第m个接入点与第k个用户之间的无线信道由直射链路和反射链路两部分组成，直射链路为瑞利信道表示为：

13、

14、其中，βmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路的大尺度衰落系数，hmk表示第m个接入点到第k个用户直射链路小尺度衰落系数；

15、反射链路由接入点到ris以及ris到用户的两段链路组成，第m个接入点到ris的链路表示为：

16、

17、其中，公式中的所有下标m表示第m个接入点，下标r表示ris，下标k表示第个k用户，下标e表示窃听者；βmr表示第m个接入点到ris链路的大尺度衰落系数，kmr表示第m个接入点到ris链路的莱斯k因子，和分别表示gmr的los分量和nlos分量；ris到第k个用户的链路表示为：

18、

19、其中，βrk表示ris到第k个用户链路的大尺度衰落系数，krk表示ris到第k个用户链路的莱斯k因子，和分别表示grk的los分量和nlos分量；

20、ris的相移矩阵表示为：

21、

22、其中，表示ris第l个反射元件对入射信号的相移，l表示ris的反射元件数；设定ρmk表示第m个接入点与第k个用户之间反射链路的增益系数，当第m个接入点与第k个用户共同处于ris反射范围内时有ρmk＝1，否则ρmk＝0；

23、将直射链路gmk与带增益系数的反射链路相加，可得第m个接入点到第k个用户的总无线信道为：

24、

25、第m个接入点到窃听者e的总无线信道为：

26、

27、其中，上标h表示共轭转置算子，gme表示第m个接入点与窃听者e之间的直射链路，表示第m个接入点与窃听者e之间带增益系数的反射链路。

28、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：计算在ris辅助下目标用户的下行可达安全速率，包括：

29、计算可得安全速率rsec＝log2(1+snrk)-log2(1+snre)；

30、被窃听用户的信噪比snrk表示为：

31、

32、窃听者的信噪比snre表示为：

33、

34、其中，上标*表示共轭算子，和为被窃听用户和窃听者各自的噪声功率，pd为每个接入点的发射功率；k’的代表的是除第k个用户以外的所有k-1个用户中的任意一个；m既表示接入点的总个数，也表示最后一个接入点的标记；表示从第m个ap到第k个用户反射链路的los分量之积；表示从第m个ap到第k个用户反射链路的功率增益；

35、其中

36、表示从第m个ap到第k个用户反射链路的幅度大小；

37、其中

38、

39、表示目标用户有用信号功率的计算因子。

40、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：以目标用户的安全速率最大化为目标函数，包括：

41、以被窃听用户的遍历安全速率最大化为目标，在ris相移以及位置的约束下，寻找最优的ris相移及最优位置部署，建立以下优化问题：

42、

43、

44、(xr,yr)∈s.

45、其中，(xr,yr)为ris的位置坐标；s表示系统的区域范围。

46、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：得到ris的最优相移和部署位置，包括：

47、使用梯度下降交替迭代算法求解所述优化问题，获得最优的ris相移及最优位置部署。

48、作为本发明所述的无蜂窝大规模mimo的ris部署方法的一种优选方案，其中：所述梯度下降交替迭代算法，包括：

49、设定ris初始位置为初始相移矩阵为φ0，将两者代入安全速率的计算公式中得到初始化迭代步长s1,s2＞0，迭代终止误差σ＞0，迭代变量i,j＝0；

50、计算出安全速率对ris相移矩阵的下降方向对ris相移进行迭代并据此得出新的安全速率，记为

51、设定i＝i+1，重复rsec(φi+1)的计算步骤，直到|rsec(φi+1)-rsec(φi)|＜σ为止，记相移的最优值为φopt＝φi+1；

52、计算出安全速率对ris部署位置的下降方向对ris部署位置进行迭代并据此得出新的安全速率，记为

53、设定j＝j+1，重复的计算步骤，直到为止，记部署位置的最优值为

54、重复以上所有计算步骤，直到得到ris的最优相移φopt和最优部署位置

55、第二方面，本发明提供了无蜂窝大规模mimo的ris部署系统，其包括：

56、ris控制器模块，负责协调和管理整个ris网络；

57、基站模块，负责与用户设备进行通信，同ris控制器模块交互，将数据传输到正确的ris和用户设备模块中；

58、ris模块，用于实现波束成形和信号增强；

59、用户设备模块，用于和基站模块之间进行通信，接收来自ris的波束成形信号，以及将数据发送回基站模块。

60、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的任一步骤。

61、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的任一步骤。

62、与现有技术相比，发明有益效果为：本发明通过构建一个无蜂窝大规模mimo点，所述点在平面内均匀分布，且系统内存在窃听者eve；利用ris增强系统物理层安全性，并计算在ris辅助下目标用户的下行可达安全速率；以目标用户的安全速率最大化为目标函数，得到ris的最优相移和部署位置；本发明可以在不引入额外系统能耗的前提下，大幅提升被窃听用户的安全速率；在存在窃听者的无蜂窝大规模mimo系统中，首次将ris相移和位置部署进行联合优化，以增强系统的物理层安全性。