本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信，具體涉及一種提高智能反射面輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的方法。

背景技術(shù)：

1、無(wú)線(xiàn)供能通信網(wǎng)絡(luò)（wireless?powered?communication?networks,wpcn）采用能量收集技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備供電，延長(zhǎng)使用壽命，可以解決傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的能源受限問(wèn)題，應(yīng)用前景廣闊。物理層安全（physical?layer?security,pls）利用無(wú)線(xiàn)信道的物理特性來(lái)保障通信系統(tǒng)的安全性，與依賴(lài)于密碼學(xué)技術(shù)、工作在上層協(xié)議的傳統(tǒng)安全技術(shù)相比，保密性更強(qiáng)。智能反射面（intelligentreflecting?surface，irs）由大量低成本的無(wú)源反射元件組成，每個(gè)元件能夠獨(dú)立地改變?nèi)肷湫盘?hào)的相移，通過(guò)部署irs，反射鏈路與直射鏈路疊加，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)建設(shè)性或破壞性地相加，提升無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的整體性能。將irs應(yīng)用在wpcn系統(tǒng)中，能夠有效提高系統(tǒng)的安全速率。

2、目前，irs輔助的wpcn系統(tǒng)物理層安全問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)通信中的一個(gè)熱點(diǎn)。馬帥飛等申請(qǐng)的專(zhuān)利《一種ris輔助的wpcn系統(tǒng)物理層安全通信方法》提出了一種最大化ris輔助的wpcn系統(tǒng)物理層安全傳輸速率的方法，但其未考慮優(yōu)化智能反射面的位置，而且采用了半定松弛（semidefinite?relaxation，sdr）和凸優(yōu)化工具cvx求解原問(wèn)題，需要高斯隨機(jī)化以提高解的質(zhì)量，計(jì)算復(fù)雜度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供了一種提高智能反射面輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的方法。針對(duì)最大化irs輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的優(yōu)化問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用一維搜索、交替優(yōu)化、dinkelbach算法和mm算法的有效方法來(lái)優(yōu)化基站能量波束成形向量、上行與下行階段的智能反射面相移、時(shí)間分配因子和智能反射面的位置，提高系統(tǒng)安全速率。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

3、一種提高智能反射面輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的方法，所述wpcn系統(tǒng)包括一個(gè)配備m根天線(xiàn)的基站、一個(gè)具有n個(gè)反射單元的智能反射面、一個(gè)配備單天線(xiàn)的用戶(hù)和一個(gè)配備單天線(xiàn)的竊聽(tīng)端，在下行階段用戶(hù)接收基站發(fā)送的能量信號(hào)，在上行階段用戶(hù)利用該能量向基站發(fā)射信息信號(hào)，同時(shí)竊聽(tīng)端竊聽(tīng)信息，所述方法包括下列步驟:

4、s1、在傳輸開(kāi)始前進(jìn)行信道估計(jì)，得到基站與用戶(hù)之間的信道、基站與智能反射面之間的信道、智能反射面與用戶(hù)之間的信道、智能反射面與竊聽(tīng)端之間的信道、用戶(hù)與竊聽(tīng)端之間的信道，表示復(fù)數(shù)域；

5、s2、定義最大化系統(tǒng)安全速率的優(yōu)化問(wèn)題如下：

6、

7、

8、

9、

10、

11、

12、

13、其中，為基站能量波束成形向量，表示第m根天線(xiàn)上的權(quán)重，為智能反射面能量反射系數(shù)向量，是下行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的能量反射系數(shù)，是下行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的相位，為智能反射面信息反射系數(shù)向量，是上行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的信息反射系數(shù)，是上行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的相位，為時(shí)間分配向量，假設(shè)傳輸時(shí)間歸一化為秒，是分配給基站傳輸能量信號(hào)的時(shí)間占比，是分配給用戶(hù)傳輸信息信號(hào)的時(shí)間占比，x為智能反射面的橫坐標(biāo)，、分別是智能反射面的最小和最大橫坐標(biāo)，r為wpcn系統(tǒng)的安全傳輸速率，為基站最大發(fā)射功率；

14、s3、采用凸優(yōu)化工具cvx對(duì)所述最大化系統(tǒng)安全速率的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，得到基站能量波束成形向量的最優(yōu)解、智能反射面能量反射系數(shù)向量最優(yōu)解、智能反射面信息反射系數(shù)向量最優(yōu)解、時(shí)間分配向量最優(yōu)解、智能反射面橫坐標(biāo)最優(yōu)解，其中，表示基站第m根天線(xiàn)上的最優(yōu)權(quán)重，是下行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的最優(yōu)能量反射系數(shù)，是下行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的最優(yōu)相位，是上行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的最優(yōu)信息反射系數(shù)，是上行階段智能反射面第n個(gè)反射單元的最優(yōu)相位，是分配給基站傳輸能量信號(hào)的最優(yōu)時(shí)間占比，是分配給用戶(hù)傳輸信息信號(hào)的最優(yōu)時(shí)間占比；

15、s4、基站生成能量攜帶信號(hào)s，s服從0均值、單位方差的復(fù)高斯分布，基站發(fā)送的能量信號(hào)為：，根據(jù)、分別調(diào)整智能反射面下行、上行階段的反射單元相位，根據(jù)和來(lái)分配下行階段傳輸能量的時(shí)間占比和上行傳輸信息的時(shí)間占比，根據(jù)調(diào)整智能反射面的位置。

16、信道估計(jì)的過(guò)程為：在傳輸開(kāi)始前，基站向用戶(hù)發(fā)送指令，用戶(hù)收到指令后向基站發(fā)送訓(xùn)練信號(hào)，基站根據(jù)接收到的訓(xùn)練信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，得到基站與用戶(hù)間的信道；通過(guò)發(fā)送訓(xùn)練信號(hào)繼續(xù)估計(jì)基站與智能反射面之間的信道狀態(tài)信息、智能反射面與用戶(hù)之間的信道狀態(tài)信息；根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)平穩(wěn)衰落特性，智能反射面與竊聽(tīng)端之間的信道狀態(tài)信息、用戶(hù)與竊聽(tīng)端之間的信道狀態(tài)信息通過(guò)信道的統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算得到。

17、進(jìn)一步地，所述wpcn系統(tǒng)的安全傳輸速率r表示為，其中是基站的信息傳輸速率，是基站處的接收信噪比，是用戶(hù)實(shí)際接收到的功率，為能量收集效率，是下行階段基站與用戶(hù)之間的總信道增益，為用戶(hù)的能量收集飽和功率，為上行階段用戶(hù)與基站之間的總信道增益，是基站處的噪聲功率，是竊聽(tīng)端的信息傳輸速率，是竊聽(tīng)端的信噪比，為用戶(hù)與竊聽(tīng)端之間的總信道增益，是竊聽(tīng)端的噪聲功率。

18、進(jìn)一步地，所述步驟s3過(guò)程如下：

19、s3.1、初始化智能反射面的位置變化步長(zhǎng)、收斂容忍度、智能反射面的最小和最大橫坐標(biāo)、，令；

20、s3.2、初始化迭代次數(shù)k=1、基站能量波束成形向量、智能反射面能量反射系數(shù)向量、智能反射面信息反射系數(shù)向量、時(shí)間分配向量，初始值分別記為、、、，計(jì)算安全速率，其中、分別表示第k次迭代基站的能量波束成形向量和第m根天線(xiàn)上的權(quán)重，、分別表示第k次迭代智能反射面的能量反射系數(shù)向量和第n個(gè)反射單元上的能量反射系數(shù)，、分別表示第k次迭代智能反射面的信息反射系數(shù)向量和第n個(gè)反射單元上的信息反射系數(shù)，分別表示第k次迭代分配給基站傳輸能量和分配給用戶(hù)傳輸信息的時(shí)間占比；

21、s3.3、固定智能反射面能量反射系數(shù)向量、智能反射面信息反射系數(shù)向量、時(shí)間分配向量，求解步驟s2所述優(yōu)化問(wèn)題得到第k次迭代基站能量波束成形向量的最優(yōu)解，記為；

22、s3.4、固定基站能量波束成形向量、智能反射面信息反射系數(shù)向量、時(shí)間分配向量，采用dinkelbach算法和mm算法求解步驟s2所述優(yōu)化問(wèn)題得到第k次迭代智能反射面能量反射系數(shù)向量的最優(yōu)解，記為；

23、s3.5、固定基站能量波束成形向量、智能反射面能量反射系數(shù)向量、時(shí)間分配向量，采用dinkelbach算法和mm算法求解步驟s2所述優(yōu)化問(wèn)題得到第k次迭代智能反射面信息反射系數(shù)向量的最優(yōu)解，記為；

24、s3.6、固定基站能量波束成形向量、智能反射面能量反射系數(shù)向量、智能反射面信息反射系數(shù)向量，利用凸優(yōu)化工具cvx求解步驟s2所述優(yōu)化問(wèn)題得到第k次迭代時(shí)間分配向量的最優(yōu)解，記為；

25、s3.7、計(jì)算，判斷成立，若成立，則停止迭代，令，；否則令k=k+1，返回步驟s3.3；

26、s3.8、判斷是否滿(mǎn)足若滿(mǎn)足，則令，返回步驟s3.2，否則，輸出智能反射面位置的最優(yōu)解、基站能量波束成形向量的最優(yōu)解、智能反射面能量反射系數(shù)向量的最優(yōu)解、智能反射面信息反射系數(shù)向量的最優(yōu)解、時(shí)間分配向量的最優(yōu)解。

27、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

28、1.本發(fā)明采用dinkelbach算法和mm算法得到求解智能反射面能量反射系數(shù)向量和信息反射系數(shù)向量的半閉式解，與需要高斯隨機(jī)化的半定松弛方法相比，算法復(fù)雜度更低。

29、2.本發(fā)明在考慮優(yōu)化智能反射面位置的情形下，提出了一種提高irs輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的方法，與智能反射面隨機(jī)放置相比系統(tǒng)安全傳輸速率更高。

30、3.本發(fā)明提出一種在考慮優(yōu)化智能反射面位置的情況下提高irs輔助wpcn系統(tǒng)安全速率的方法，針對(duì)所構(gòu)建的非凸優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種基于dinkelbach算法和mm算法的緊邊界半閉型解，設(shè)計(jì)了一種利用一維搜索、交替優(yōu)化的有效方法來(lái)優(yōu)化基站能量波束成形向量、上行與下行階段的irs相移、時(shí)間分配因子和智能反射面的位置，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。