一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法。

背景技术：

1、近年来，基于智能反射面(irs)的通信由于其在提高光谱和能源效率方面的显著优势而受到了广泛的关注。一般来说，智能反射面(irs)由一定数量的低成本反射分量组成，每个分量都能够通过可重构的相位移反射进入的电磁波以及调整其振幅。通过适当地调整智能反射面(irs)元素的相移，使目标接收机处接受的信号增强同时削弱监听方的信号。因此，智能反射面(irs)具有增强接收信号强度和提高安全性/隐私性性能的潜力。

2、基于上述优点，智能反射面(irs)最近被应用于物理层安全，以提高保密率性能。例如，一些学者研究了智能反射面(irs)辅助的安全多输入多输出(mimo)通信，结果表明，智能反射面(irs)辅助方案的保密率明显优于没有智能反射面(irs)的方案。与物理层安全相比，隐蔽通信旨在隐藏发射机的传输行为，从而提供高水平的安全性和隐私性。同样已有一些研究表明，在智能反射面(irs)的辅助下，无线通信系统可在满足隐蔽性要求的前提下提高系统的传输能力。

3、目前情况下，对于是否可以在满足无线通信系统隐蔽性的前提下提升系统的物理层安全传输速率的研究还很少。已经有学者探究过在人工噪声的辅助下完成这一工作，然而在智能反射面(irs)的辅助下是否也能达到这一目的，目前仍是一个未知。鉴于此，本发明提出了一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能够在满足隐蔽性约束的前提下提升系统安全速率的基于智能反射面(irs)辅助的通信设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种智能反射面辅助的满足安全和隐蔽性能的通信设计方法，具体包括以下步骤：

4、s1、构建三维系统模型：选取发射机(alice)、接收机(bob)、监听者(willie，eve)和智能反射面(irs)作为三维系统模型的实体研究对象，使用笛卡尔坐标系表示各实体对象的空间位置信息；

5、s2、求解监听者(willie)的最小总检测误差概率：监听者(willie)根据其观测的信号样本判断发射机(alice)是否发送隐蔽信息给接收机(bob)，统计监听者(willie)在符号周期内接收到的信号，结合所接收到的信号中发射机(alice)未发送信息和已发送信息的情况，计算得出监听者(willie)最小总检测误差概率；

6、s3、构建优化问题：选取安全速率作为系统性能尺度，构建基于最大化安全速率的优化问题；

7、s4、化简优化问题：对s3中所构建的优化问题进行化简，将其转化为更易于处理的优化问题，进而用cvx工具包求解使发射机(alice)最佳发射功率pa和智能反射面的反射系数v的最佳耦合变量m；

8、s5、设定各节点放置位置：

9、优选地，s1中所述使用笛卡尔坐标系表示发射机(alice)、接收机(bob)和监听者(willie、eve)以及智能反射面(irs)的空间位置信息，具体包括以下内容：

10、将发射机(alice)的空间位置信息表示为qa＝[0，0，0]t，接收机(bob)的空间位置信息表示为qb＝[70，0，0]t，监听者willie的空间位置信息表示为qw＝[50，-10，0]t，监听者eve的空间位置信息表示为qe＝[50，10，0]t，智能反射面irs的空间位置信息表示为qr＝[50，0，3]t；发射机到接收机、发射机到监听者willie、发射机到监听者eve、发射机到智能反射面的信道分别用hab、haw、hae、har表示；智能反射面到接收机、智能反射面到监听者willie以及智能反射面到监听者eve的信道分别用hrb.、hrw、hre表示，假设所有信道都为瑞利衰落信道。

11、优选地，s2中所述求解监听者(willie)的最小总检测误差概率，具体包括以下内容：

12、a1、在隐蔽通信中，监听者(willie)根据所观测的信号样本判断发射机(alice)是否发送隐蔽信息给接收机(bob)，其中，yw[i]表示监听者(willie)在第i个符号周期内接收到的信号，可表示为：

13、

14、式中，nw表示监听者willie处的噪声；和分别表示发射机(alice)未发送和已发送信息给接收机(bob)；

15、a2、假设虚警错误概率用α表示，漏警概率用β表示，分别由和给出，其中d1和d0分别表示监听者做出发射机(alice)是否传输消息的二元决策，得到监听者总的探测错误概率为：

16、ξ＝α+β (1)

17、a4、监听者willie主要通过寻找最优检测阈值τ来最小化总检测错误概率ξ，用ξ*表示ξ的最小值，具体计算公式为：

18、

19、其中，表示测量噪声不确定度水平的参数，v表示对角矩阵θ中对角元素组成的向量；w＝diag(hhrw)har；表示willie处的噪声功率；

20、将安全速率作为系统性能尺度，在满足隐蔽约束的前提下，联合优化发射机(alice)的发射功率pa和智能反射面(irs)的反射系数v；所构建的优化问题为：

21、

22、其中，式子是隐蔽性要求，式子表示智能反射面(irs)的反射系数约束。

23、优选地，s4中所述化简优化问题，具体包括以下内容：

24、b1、首先将优化问题中的二次型进行处理：

25、首先构造新的矩阵：

26、u＝[vh1]h，

27、此时，再令则原问题转化为：

28、

29、其中，mn表示m的第n个分量；

30、b2、根据b1中所述内容，可将优化问题(5)转换为一个更易于处理的优化问题：

31、

32、其中，m＝mmh，所述优化问题(10)与优化问题(12)是等价的，具有相同的最优解；

33、b3、对于优化问题(6)，由于目标函数是线性分式形式，仍然是非凸的，我们利用dinkelbach方法将其转变为如下的线性形式：

34、

35、其中，β表示dinkelbach变量，由更新，迭代时，id为迭代索引；收敛后，采用高斯随机化方法恢复高质量的秩1解。

36、与现有技术相比，本发明提供了一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法，具备以下有益效果：

37、(1)本发明能充分利用变量之间的约束关系，求解复杂度低；

38、(2)本发明将发射机(alice)发射功率和智能反射面(irs)的反射系数耦合为一个变量以优化求解；

39、(3)本发明证明了在智能反射面(irs)的辅助下，无线通信系统可以在满足隐蔽通信的前提下提升系统的物理层安全性。

技术特征：

1.一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法，其特征在于，s1中所述使用笛卡尔坐标系表示发射机、接收机和监听者以及智能反射面的空间位置信息，具体包括以下内容：

3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的通信设计方法，其特征在于，s2中所述求解监听者的最小总检测误差概率，具体包括以下内容：

4.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法，其特征在于，s3中所述构建优化问题，具体包括以下内容：

5.根据权利要求3或4所述的一种智能反射面辅助的满足安全和隐蔽性能的通信设计方法，其特征在于，s4中所述化简优化问题，具体包括以下内容：

技术总结
本发明公开了一种智能反射面辅助的安全和隐蔽通信设计方法，属于无线通信技术领域；本发明构建了以最大化系统安全速率为目标的优化问题。为了求解该优化问题，我们设计了一种基于Dinkelbach方法的算法。在此算法中，我们首先根据Dinkelbach和半正定松弛等方法将初始非凸问题等价地转换为更易处理的凸问题，得到使得问题最优的发射功率(Alice)和智能反射面(IRS)反射矩阵系数，再利用高斯随机化来还原满足秩一约束的解。算法的仿真结果表明，与没有IRS的情况相比，在IRS的辅助下，系统的安全性能得到显著提升。

技术研发人员：周小波,蒋勇,阮丹阳,周修颖,夏桂阳,沈桐,辜丽川
受保护的技术使用者：安徽农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17