一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法

一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法。


背景技术：

2.随着第五代(5g)无线网络的广泛部署，网络的总体架构变得越来越庞大，越来越复杂。对网络数据的速率和能效、可靠性和低延迟等的要求也越来越高。然而，目前现有的技术可能无法完全满足这些需求。鉴于此，急需开发新的技术来降低网络成本、复杂性和能源消耗。作为最具有代表性的新技术之一，智能反射面(irs，intelligent reflecting surface)通过智能地改变传播环境，在系统设计中提供了额外的自由度。irs由大量的被动反射元件组成，可以通过可编程控制器巧妙地调整相位移，并被动地反映电磁波(em)的相位。irs反射元件通常由小而低成本的组件组成，它们可以有效地反映接收到的信号，而不需要专用的射频处理或再传输。此外，irs还通常具有价廉、重量轻、易于部署的优点，这使得它们很容易在墙壁、天花板、建筑立面、广告面板等上安装或移除。
3.另一方面，随着无线网络环境越来越复杂，传统无线通信系统中的信息安全技术难以保证系统的安全性。但随着通信新技术的引入，利用irs结合物理层技术解决无线接入的安全性具有很强的理论和现实意义。为此，在分布式irs辅助无线网络通信系统中，多个irs协同工作将基站的信息安全有效的传输到合法用户端。在基站的发射信号中增加了人工噪声(an，artificial noise)，用来损害窃听者的信道。这不仅提高了合法用户的接收功率，而且抑制了窃听者的接收功率，从而增强了系统物理层的安全性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法。本发明将多irs引入到无线系统中，通过联合优化基站的波束形成、人工噪声和irs相移参数，减弱反射到窃听者的信号并增强反射到合法用户的信号，从而最大化系统总安全率(ssr，system secrecy rate)。
5.为达到上述目的，本发明提供如下一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法，该方法包括以下步骤：
6.s1:构建一种由分布式irs辅助多输入单输出的无线通信系统，系统由一个多天线基站，k个单天线用户，一个单天线的窃听者以及l个irs构成，其中每个irs中含有m个反射单元；
7.s2:通信场景考虑为直通链路(基站到用户)由于障碍物阻挡或相距较远，基站通过分布式irs将信息传输给系统中的合法用户；
8.s3:为了提高系统的安全性，基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声(an)；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及irs相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程。基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工
噪声和irs相移参数进行解耦合优化求解；
9.s4:给定irs相移参数，优化主动波束形成、人工噪声优化计算：采用连续凸近似(sca，successive convex approximation)和半定限松弛(sdr，semi-definite relaxation)来优化基站的主动波束形成、人工噪声；
10.s5:给定基站的主动波束形成、人工噪声，优化针对irs相移参数：采用流形优化(mo，manifold optimization)或最小-最大化(mm，minorize-maximization)算法进行求解。不断交替迭代优化求解收敛。
11.在所述s1中，包括以下内容:
12.第k个用户和窃听者的接收信号分别为：
[0013][0014][0015]
其中，g
r,l
表示基站和第l个irs之间的等效基带通道向量，分别表示irs与用户k之间以及irs与窃听者之间的信道向量，表示第l个irs的相移矩阵，其中表示第l个irs的第m个相移。nk和ne分别是第k个用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声。基站处发送的信号表示为其中wk和sk分别为第k个用户的波束形成向量以及用户k的期望信号。z是人工干扰向量用来干扰窃听者。
[0016]
根据香农公式，第k个合法用户和窃听者的信息速率分别为：
[0017][0018][0019]
其中，采用单位带宽，分别是第k个合法用户和窃听者的噪声功率。
[0020]
在所述s2中，为提高系统总安全率(ssr，system secrecy rate)，提出优化问题：
[0021][0022]
其中，z＝zzh，p
max
是基站的最大发射功率。c1表示基站的最大发射功率约束；c2表示irs恒模限制；c3是人工干扰信息的约束。
[0023]
在所述s3中，采用交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和irs相移参数进行解耦合，即分为两个子问题：
[0024]
(1)子问题1：:主动波束形成、人工噪声的优化：
[0025][0026]
s,t.c1，c3，c4.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]
其中，其中，
[0028]
(2)子问题2：:irs相移参数的优化：
[0029][0030]
s.t.c2.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0031]
其中，
[0032][0033][0034][0035][0036]
在所述s4中，针对基站的主动波束形成、人工噪声的优化，固定irs相移参数，采用连续凸近似(sca)和半定松弛(sdr)来优化基站的主动波束形成、人工噪声：
[0037]
采用连续凸近似将问题(6)转化如下：
[0038][0039]
s.t.c1,c3[0040]
c4:rank(w)≤1.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0041]
其中，
[0042][0043]
wi和zi为w和z的任意可行解。
[0044]
注意到问题(8)的剩余非凸性源于一级约束c4。为了解决这个问题，我们通过半定松弛(sdr)技术利用优化工具cvx来消除约束c4。从而得到最优的w和z值。
[0045]
在所述s5中，针对irs相移参数，固定基站的主动波束形成、人工噪声，)采用流形优化(mo)或最小-最大化(mm)算法进行求解。大幅提高传统的优化算法收敛速度。不断交替迭代直到系统总保密率收敛：
[0046]
令
[0047][0048][0049]
将问题(7)转化为：
表示基站的最大发射功率约束；c2表示irs恒模限制；c3是人工干扰信息的约束。
[0068]
由于p是一个非凸表达式，且c2为单位模量约束。这很难直接使用现有的算法来获得该优化问题的全局最优解。因此采用交替迭代优化该问题，具体思路如下：1)先固定irs相移参数，采用连续凸近似(sca)和半有限松弛(sdr)来优化基站的波束形成、人工噪声；2)再固定基站的波束形成、人工噪声，采用流形优化(mo)或最小-最大化(mm)算法进行求解。不断交替迭代1，2直到系统总保密率收敛。
[0069]
1)先固定irs相移参数，采用连续凸近似(sca)和半有限松弛(sdr)来优化基站的波束形成、人工噪声：
[0070]
在给定相移矩阵φ
l
情况下，原问题可重新描述为：
[0071][0072]
s.t.c1，c3，
[0073]
c4:rank(w)≤1..
[0074]
其中，w＝wwh，
[0075][0076][0077]
采用连续凸近似方法，构造g1,g2的全局解：
[0078]
即对于任何可行点wi，可微凸函数g1(w)满足以下不等式：
[0079][0080]
对于任何可行点wi、zi，可微凸函数g2(w，z)满足以下不等式：
[0081][0082]
其中，为g1的全局解,为g2的全局解。则原问题转化为：
[0083][0084]
s.t.c1，c3，c4.
[0085]
注意到该问题的剩余非凸性源于一级约束c4。为了解决这个问题，我们通过半定松弛(sdr)技术利用优化工具cvx来消除约束c4。从而得到最优的w和z值。
[0086]
2)再固定基站的主动波束形成、人工噪声，采用流形优化(mo)或最小-最大化(mm)算法进行求解。
[0087][0088]
其中，
[0089]
[0090][0091][0092][0093]
为解决该问题，引用定理：e为任意正定矩阵，有以下函数：
[0094][0095]
其中，δ(y)＝log|y|-tr(ye)+m，m为无关量。y的最优解可以表示为y
opt
＝e-1
。
[0096]
由此在问题中先固定φ
l
值，引入变量令令令将问题转换如下：
[0097][0098]
其中，在计算出值情况下，忽略常数项，简化p2：
[0099][0100]
令
[0101][0102][0103]
在给定值的情况下，进一步将原问题转化为：
[0104][0105]
s.t.c2.
[0106]
采用流形优化(mo)或最小-最大化(mm)算法求解irs相移参数。利用交替优化迭代得到优化解，进一步通过高斯分解得到优化方程的最终解：主动波束形成、人工噪声值以及irs相移参数。具体的算法流程如图2。
[0107]
下面结合仿真对本发明的实际效果做详细的描述。
[0108]
1)仿真条件
[0109]
如图1所示，设基站含有4根天线，两个irs，每个irs有16个智能反射单元，基站到irs、irs到用户、窃听者的路径损耗均为2.2。假设基站坐标为(0,0,0)，irs1坐标为(300,0,10)、irs2坐标为(300,20,10)，用户1坐标为(280,0,1.5)、用户2坐标为(300,0,1.5)，窃听者坐标为(320,0,1.5)。
[0110]
2)仿真结果
[0111]
在本实施例中，图3，图4分别给出了本发明中采用mo算法布置irs相移与分布式随机布置irs相移的收敛性差异、本发明中采用mo算法布置irs相移与采用mm算法布置irs相移的收敛性差异，由图3可观测出：当分布式irs的反射单元数m＝16、64时本发明提出的算法所实现的系统总安全率均优于随机布置irs相移的系统总安全率。由图4可观测出：当分布式irs的反射单元数m＝16、64时本发明提出的采用mo算法布置irs相移与采用mm算法布置irs相移所实现的系统总安全率的差别不大，且收敛所需迭代次数相近。
[0112]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所在的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：s1:构建一种由分布式irs辅助多输入单输出的无线通信系统，系统由一个多天线基站，k个单天线用户，一个单天线的窃听者已经l个irs构成，其中每个irs中含有m个反射单元；s2:通信场景考虑为从基站到用户的直通链路，由于障碍物阻挡或相距较远，基站通过分布式irs将信息传输给系统中的合法用户；s3:为了提高系统的安全性，基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及irs相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程，基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和irs相移参数进行解耦合优化求解；s4:给定irs相移参数，优化主动波束形成、人工噪声优化计算：采用连续凸近似和半定限松弛来优化基站的主动波束形成、人工噪声；s5:给定基站的主动波束形成、人工噪声，优化针对irs相移参数：采用流形优化或最小-最大化算法进行求解，不断交替迭代优化求解收敛。2.根据权利要求1所述的一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于:所述s1中，包括以下内容:第k个合法用户和窃听者的接收信号分别为：第k个合法用户和窃听者的接收信号分别为：其中，g
r,l
表示基站和第l个irs之间的等效基带通道向量，分别表示irs与用户k之间以及irs与窃听者之间的信道向量，表示第l个irs的相移矩阵，其中表示第l个irs的第m个相移，n
k
和n
e
分别是第k个用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声，基站处发送的信号表示为其中w
k
和s
k
分别为第k个用户的波束形成向量以及用户k的期望信号，z是人工干扰向量用来干扰窃听者，根据香农公式，第k个合法用户和窃听者的信息速率分别为：速率分别为：其中，采用单位带宽，分别是第k个合法用户和窃听者的噪声功率。3.根据权利要求2所述的一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：在所述s2中，为提高系统总安全率，提出优化问题：
c4:rank(w)≤1.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，其中，其中，w
i
和z
i
为w和z的任意可行解。6.根据权利要求4所述的一种分布式irs辅助通信系统安全传输的优化方法，其特征在于：在所述s5中，针对irs相移参数，固定基站的主动波束形成、人工噪声，采用流形优化进行求解，大幅提高传统的优化算法收敛速度，不断交替迭代直到系统总保密率收敛：令令令令将问题(7)转化为：s.t.c2.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)利用交替优化迭代得到优化解，进一步通过高斯分解得到优化方程的最终解：主动波束形成、人工噪声值以及irs相移参数。

技术总结
本发明公开一种分布式IRS辅助通信系统安全传输的优化方法，主要步骤包括:S1:构建一种由分布式IRS辅助多输入单输出的无线通信系统；S2:通信场景考虑为直通链路，基站通过分布式IRS将信息传输给系统中的合法用户；S3:基站在发送有用信号同时发送人工干扰噪声；在基站总的发射能量受限场景下，构建基于波束成形、人工噪声、以及IRS相移参数为优化参数的最大化系统安全速率和的优化方程。基于交替优化算法对基站的主动波束形成、人工噪声和IRS相移参数进行解耦合优化求解；S4:采用连续凸近似和半定限松弛来优化基站的主动波束形成、人工噪声；S5:采用流形优化或最小-最大化算法进行求解。本发明可以显著提高通信系统的安全性。本发明可以显著提高通信系统的安全性。本发明可以显著提高通信系统的安全性。


技术研发人员：冯友宏 张彦峨 刘席席 董程秋 张绅
受保护的技术使用者：安徽师范大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8