一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法

本发明涉及无线通信，具体为一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法。

背景技术：

1、随着通信技术的快速发展，未来无线通信环境日益复杂，通信系统的安全性越来越受到重视。在超高速率的无线服务和无处不在的接入需求不断增长的情况下，能源消耗也急剧增加，研究安全速率和能量消耗之间的平衡，对于寻求绿色通信方案具有重要意义。

2、然而，无线信号的传输易受到周围障碍物与路径损耗的影响。考虑到可重构智能表面（ris，reconfigurable intelligent surface）中的每个反射单元都可以独立调节入射信号的相位和振幅，可利用无源ris的辅助来改善通信质量。但是，传统无源ris难以克服实际信号传输过程中的双衰落效应。为了弥补无源ris存在的不足，有源可重构智能表面（aris，active reconfigurable intelligent surface）能够通过同时调整入射信号相位和放大反射信号振幅降低双衰落效应的影响，因此受到了国内外学者的广泛关注。

3、此外，现有研究主要是在完美硬件设备的假设下进行的。然而，固有的硬件损伤，例如硬件老化、不完美的功率放大器和不完美的模数转换器等会影响通信系统的性能。虽然硬件损伤对系统性能的影响可以通过补偿算法来减轻，但是由于不精确估计的时变硬件特性和随机噪声，在无线传输过程中仍然会产生不可忽略的负面影响。因此，研究存在硬件损伤的系统性能具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、本发明实施例的第一方面，提供一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，包括：获取基站到aris、aris到合法用户、基站到合法用户、aris到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；根据所述信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗；基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、aris放大功率和aris振幅的约束下，构建aris辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和aris反射系数。

3、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述通信系统包括基站、aris、窃听者和合法用户，其中，所述基站配置m根天线，所述aris具有n个反射单元，所述窃听者和合法用户均配置单天线，且合法用户存在硬件损伤。

4、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述安全传输速率的计算包括，

5、在考虑合法用户存在硬件损伤的情况下，所述合法用户接收到的信号表示为：

6、；

7、其中，表示合法用户接收到的信号，表示共轭转置操作，表示基站与合法用户之间的信道参数向量，表示aris与合法用户之间的信道参数向量，表示aris的反射系数，其中表示对角化操作，，，和分别表示aris第个反射单元的振幅和相位，并且，，j为虚数单位，表示基站到aris各反射单元之间的信道参数矩阵，其中，表示基站的波束成形向量，表示基站向合法用户发送的信息，且，表示取数学期望操作，表示在aris处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为的复高斯分布，记作，其中表示维的零向量，表示在合法用户处的高斯白噪声，其服从均值为0、方差为的复高斯分布，记作，表示n维的单位矩阵，表示由于合法用户存在硬件损伤而产生的失真接收信号，其服从均值为0，方差为的复高斯分布，表示未失真的接收信号；

8、根据所述合法用户接收到的信号，方差的计算表示为：

9、；

10、其中，表示失真信号功率与未失真信号功率的比例系数，表示对向量取二范数操作；

11、根据所述合法用户接收到的信号，合法用户处的信干噪比表示为：

12、；

13、设定窃听者不考虑硬件损伤，则所述窃听者接收到的信号表示为：

14、；

15、其中，表示窃听者接收到的信号，表示基站与窃听者之间的信道参数向量，表示aris与窃听者之间的信道参数向量，表示在窃听者处的高斯白噪声，其服从均值为0，方差的复高斯分布；

16、根据所述窃听者接收到的信号，窃听者处的信干噪比表示为：

17、；

18、基于所述合法用户处的信干噪比和所述窃听者处的信干噪比，所述安全传输速率的计算表示为：

19、。

20、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述总功率消耗的计算包括，

21、所述总功率消耗包括基站处的功率消耗、aris处的功率消耗和合法用户的电路功率消耗；

22、根据基站处的波束成形向量，所述基站处的功率消耗表示为：

23、；

24、其中，表示基站处的电路功率消耗；

25、根据获取的信道状态信息，所述aris处的功率消耗表示为：

26、；

27、其中，表示aris每个反射单元的开关和控制电路功率消耗，表示aris每个反射单元的直流偏置功率消耗，，表示放大器效率，表示对矩阵取f范数操作；

28、所述总功率消耗的计算表示为：

29、；

30、其中，表示合法用户处的电路功率消耗。

31、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：所述aris辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题的构建包括，

32、基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、aris放大功率和aris振幅的约束下，构建aris辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题，表示为：

33、；

34、其中，表示基站的最大发射功率，表示aris的最大放大功率，表示aris第个反射单元的振幅，表示每个反射单元的最大振幅。

35、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：包括，

36、在所述安全能量效率最大化问题中，波束成形向量与aris反射系数两个变量相互耦合，难以直接对所述安全能量效率最大化问题进行求解，可将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并采用交替优化算法进行迭代求解；

37、子问题1为固定aris反射系数，优化波束成形向量，表示为：

38、；

39、针对所述子问题1的目标函数，利用dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题1转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包cvx对所述凸优化问题进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的波束成形向量。

40、作为本发明所述的有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法的一种优选方案，其中：还包括，

41、子问题2为固定波束成形向量，优化aris反射系数，表示为：

42、；

43、针对所述子问题2的目标函数，利用dinkelbach方法将分式形式转化为线性形式，并通过半正定松弛算法松弛秩一约束，将所述子问题2转化为凸优化问题，再使用凸优化工具包cvx对所述子问题2进行求解，通过高斯随机化恢复出优化后的反射系数；

44、对所述子问题1和所述子问题2进行交替优化，直至目标函数收敛，得到波束成形向量和aris反射系数的优化解。

45、本发明实施例的第二方面，提供一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化系统，包括：

46、状态信息获取单元，用于获取基站到aris、aris到合法用户、基站到合法用户、aris到窃听者、基站到窃听者的信道状态信息；

47、优化问题构建单元，用于根据所述信道状态信息计算通信系统的安全传输速率和总功率消耗，基于所述安全传输速率和总功率消耗，在基站发射功率、aris放大功率和aris振幅的约束下，构建aris辅助无线传输系统的安全能量效率最大化问题；

48、问题求解与设计单元，用于将所述安全能量效率最大化问题分解为两个子问题，并设计交替优化算法联合优化波束成形向量和aris反射系数。

49、本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，

50、处理器；

51、用于存储处理器可执行指令的存储器；

52、所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。

53、本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：

54、所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

55、本发明的有益效果：本发明提供的一种有源可重构智能表面辅助通信的安全能效优化方法，相比于无源ris辅助的安全传输方案，采用有源ris辅助的安全传输方案对系统安全能量效率的提升效果更显著，因为本发明采用的有源ris辅助的安全传输方案不仅能调整无线信号的相位，还能放大信号的幅值，缓解信道的双衰落效应，从而提高系统安全能量效率。