本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種基于智能透射面與智能反射面聯(lián)合輔助的魯棒安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

1、可重構(gòu)智能表面(ris)被認(rèn)為是未來無線通信系統(tǒng)的一項前景廣闊的技術(shù)，因為它已證明能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能效。通過控制ris單元的微結(jié)構(gòu)，可以改變其電磁(em)響應(yīng)，從而精確調(diào)節(jié)入射電磁波的振幅、相位、極化和頻率。這樣就能精確地反射或傳輸信號，從而實現(xiàn)對無線信號傳播的主動干預(yù)。除了部署在信道側(cè)以實現(xiàn)精確反射或傳輸外，ris還可用于組建收發(fā)器，通過對電磁波的智能控制，以低功耗實現(xiàn)高增益波束。

2、為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能，人們研究了智能透射面(its)和智能反射面(irs)聯(lián)合輔助系統(tǒng)，由智能透射面和智能反射面聯(lián)合輔助的多輸入多輸出(mimo)網(wǎng)絡(luò)，通過交替優(yōu)化基站(bs)的波束成形以及智能透射面和智能反射面的相移，實現(xiàn)了加權(quán)和安全速率和能效的最大化；基于此，現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種由its和irs輔助的無小區(qū)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)總和速率達(dá)到最大。在保密通信方面，分別研究了物聯(lián)網(wǎng)(iot)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信中its和irs輔助系統(tǒng)的性能，提出了兩種低復(fù)雜度算法，以實現(xiàn)最大加權(quán)和安全速率(wssr)和安全能效(see)。

3、然而，目前的研究僅限于理想信道狀態(tài)信息(csi)的場景。在實際應(yīng)用中，獲取irs輔助系統(tǒng)的準(zhǔn)確csi是具有挑戰(zhàn)性的，因為irs缺乏用于基帶處理的射頻(rf)鏈。為了應(yīng)對不可避免的信道不確定性，一些研究提出了魯棒波束成形方案，以在不完美反射csi和不完美級聯(lián)csi的情況下實現(xiàn)基站的最小發(fā)射功率。對于保密通信，現(xiàn)有技術(shù)考慮了irs輔助安全網(wǎng)絡(luò)中級聯(lián)竊聽信道的統(tǒng)計csi誤差模型，并利用bernstein型不等式來處理保密中斷概率約束。此外，研究了在竊聽者的信道容量約束下的總速率最大化問題，并利用廣義s程序來解決由于irs-竊聽者(eve)信道的范數(shù)有界csi誤差模型引入的無限線性矩陣不等式(lmi)約束。對于多個eve的場景，現(xiàn)有技術(shù)研究了在所有eve相關(guān)信道csi不完美的情況下的安全能量效率(see)最大化問題。然而，現(xiàn)有的魯棒算法不適用于聯(lián)合its和irs輔助系統(tǒng)。

4、因此，需要一種適用于聯(lián)合its和irs輔助系統(tǒng)的魯棒算法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于智能透射面(its)和智能反射面(irs)聯(lián)合輔助的魯棒安全傳輸方法，求解得到基站發(fā)射功、its波束和irs相移的約束下的最大化加權(quán)和安全速率，該魯棒算法適用于聯(lián)合its和irs輔助系統(tǒng)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于智能透射面(its)和智能反射面(irs)聯(lián)合輔助的魯棒安全傳輸方法，該方法依靠的保密通信網(wǎng)絡(luò)包括一個基于its的基站(bs)、一個irs、l個單天線bobs和l個單天線的被動竊聽者(eves)；其中its包含n個發(fā)送元件，irs包含m個反射元件；bs使用its發(fā)送器在eves的監(jiān)視下，在同一頻段向所有bobs同時發(fā)送私密信息；該方法包括以下步驟：

4、s1、構(gòu)建信號傳輸模型，確定its的波束成形向量、irs相移向量和bob/eve的接收信號；

5、s2、假定反射通道是非理想的，利用有界誤差模型對竊聽反射(irs-eves)信道的不確定性進(jìn)行建模，確定反射信道和安全速率；

6、s3、以最大化加權(quán)和安全速率wssr為目標(biāo)，對多用戶功率分配系數(shù)、its波束成形和irs相移進(jìn)行聯(lián)合魯棒設(shè)計，確定優(yōu)化問題p1；

7、s4、利用逐次凸近似技術(shù)sca將優(yōu)化問題p1的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為近似凹形式的問題p2，獲得目標(biāo)函數(shù)中的優(yōu)化變量；

8、s5、采用交替優(yōu)化ao方法對問題p2解耦，并對優(yōu)化變量交替優(yōu)化，求解問題p2目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

9、進(jìn)一步地，所述模型為多用戶多輸入單輸出。

10、進(jìn)一步地，所述s1中，令表示its的波束成形向量，其中βn∈[0,1]和αn∈[0,2π)分別表示its的第n個透射元件的振幅和相位響應(yīng)。

11、進(jìn)一步地，所述s2中，假定反射通道是不完善的，即：

12、

13、其中，和分別表示從bs到irs、從irs到第l個bob/eve(l＝l…l)的鏈路；eb,l和ee,l分別表示合法信道系數(shù)和竊聽信道系數(shù)的估計值和估計誤差；根據(jù)準(zhǔn)則約束誤差模型，有||eb,l||≤ξb,l和||ee,l||≤ξe,l,l＝1...l,其中ξb,l和ξe,l是估計誤差的上限；

14、假設(shè)每個eve都試圖竊聽離它最近的bob，那么第l個bob/eve的安全速率為：

15、

16、al≥0是每個sl的功率分配系數(shù)，θ＝diag(θ)代表第l個bob處的加性白高斯噪聲(awgn)；

17、因此，wssrrs的定義為：

18、

19、其中，ηl表示第l個bob的權(quán)重系數(shù)。

20、更進(jìn)一步地，所述s3中，以最大化加權(quán)和安全速率為目標(biāo)，并考慮基站發(fā)射功率分配約束、its波束約束和irs相移約束，建立關(guān)于維坐標(biāo)、路徑損失指數(shù)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，確定最大化系統(tǒng)加權(quán)和安全速率wssr優(yōu)化問題p1如下：

21、

22、其中，ps是bs的發(fā)射功率，約束條件c2和c3分別表示its發(fā)射元件約束條件和irs相移的單位模數(shù)約束條件。

23、進(jìn)一步地，所述s5中，采用交替優(yōu)化將問題p2解耦為三個子問題，交替求解多用戶功率分配系數(shù)its波束成形向量w和irs相移向量θ優(yōu)化問題，直到滿足收斂精度或達(dá)到最大迭代次數(shù)。

24、進(jìn)一步地，所述s5中，交替優(yōu)化多用戶功率分配系數(shù)its波束成形向量w和irs相移向量θ，具體包括以下步驟：

25、s51、給定w和θ，通過泰勒展開式和cauchy-schwartz不等式優(yōu)化

26、s52、給定和θ，通過sca優(yōu)化w；

27、s53、給定和w，通過sca和懲罰法優(yōu)化θ；

28、s54、交替迭代上述步驟s51-s53，求解最優(yōu)

29、本發(fā)明的有益效果是：

30、本發(fā)明提供了一種魯棒波束賦形設(shè)計方法，以最大化系統(tǒng)wssr為目標(biāo)，考慮基站發(fā)射功率約束、its發(fā)射元件約束和單位模數(shù)irs相移的約束，對多用戶功率分配系數(shù)、its波束成形和irs相移進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化；

31、通過采用連續(xù)凸近似(sca)、交替優(yōu)化(ao)和cauchy-schwartz不等式，本發(fā)明提供了一種有效處理智能反射表面(irs)相移的單位模數(shù)約束的優(yōu)化方法，并結(jié)合懲罰法進(jìn)一步優(yōu)化；此方法不僅有效解決了優(yōu)化問題中的非凸性和計算復(fù)雜的問題，還能夠在信道狀態(tài)信息(csi)不完美的情況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過數(shù)值仿真結(jié)果驗證，該方案能夠顯著提高系統(tǒng)的能量效率與安全性能，尤其在多用戶miso網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有極高的魯棒性與可靠性。綜上所述，本發(fā)明提供了一種在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)最大化安全能效的可行解決方案。