[發明專利]基于隨機頻率陣列和智能反射面的無線安全傳輸方法

有效

• 申請號: 202011529942.0
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112688758B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 胡錦松;呂勝蘋;賴靚玲;顏世豪;陳由甲;許志猛
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H04K3/00
• 分類號: H04K3/00;H04B7/06
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

1.一種基于隨機頻率陣列和智能反射面的無線安全傳輸方法，提供一多用戶系統包括依次連接的發射端天線、智能反射面控制器和智能反射面，其特征在于，具體包括以下步驟：

構建多用戶系統模型，選取系統中所有期望用戶的最大化信泄噪比加權和作為系統的目標函數；

通過結合相應的凸優化理論，運用交替迭代優化的思想，得到相應的有源波束成形向量和無源波束成形矩陣,即得到智能反射面的反射矩陣；

所述期望用戶的信泄噪比，具體如下：

首先，發射端隨機頻率分集陣列中每個天線陣元的頻率為：

f_m＝f_c+k_mΔf,m＝1,2,...,M (1)

其中f_c為中心頻率，不同的k_m分布決定了使用不同的頻率映射規則來分配天線陣元的載波頻率，Δf為固定的頻率增量；

對于預設位置(r,θ)處，發射端隨機頻率分集陣列的歸一化天線導向向量表示為：

其中，Φ_m(r,θ)為第m個天線陣元的相移，進一步表示為：

式中d表示天線陣列中相鄰陣元之間的距離，c表示光速；

第k個期望用戶，第l個竊聽用戶以及智能反射面相對于發射天線的位置分別定義為(r_B,k,θ_B,k)，(r_E,l,θ_E,l)，(r_s,θ_s)，k＝1,2,…,K，l＝1,2,…,L；將每個期望用戶的位置、每個竊聽用戶的位置以及智能反射面的位置代入公式(2)和(3)即可得到相對應的歸一化天線導向向量，分別表示為h_B,k，h_E,l和h_S；

其次，使用p_B,k，p_E,l和e_r分別表示智能反射面與第k個期望用戶，第l個竊聽用戶以及發射天線之間的導向向量；

根據發射端天線隨機頻率分集陣列與智能反射面二者之間的信道導向向量，得到二者之間的信道矩陣為：

智能反射面的反射矩陣表示為：

其中，β_n∈(0,1]表示第n個反射單元的幅度反射系數，n＝1,2,…,N，，ψ_n∈[0,2π]表示第n個反射單元的發射相移；Ψ即系統的無源波束成形矩陣；

發射信號表示為：

其中，s_k是要發送給第k個期望用戶的隱私消息信號，隱私消息信號是一組均值為0方差為一的相互獨立的隨機變量；v_k為隱私消息信號s_k的有源波束成形向量；

進一步，得到第k個期望用戶和第l個竊聽用戶的接收信號分別為：

其中，n_B,k和n_E,l分別是期望用戶和竊聽用戶信道的加性高斯白噪聲，二者均服從均值為0的高斯分布，方差分別為和

由公式(7)和(8)得到發送到第k個期望用戶的隱私消息信號s_k的平均功率為：

泄漏到其他K-1個期望用戶和L個竊聽用戶方向上的隱私信號s_k的平均功率為：

進一步，得到隱私消息信號s_k對于第k個期望用戶的信泄噪比為：

所述目標函數具體為：

其中，P_max為發射端隨機頻率分集陣列，ω_k為每個隱私消息信號的信泄噪比所占的權重；

所述有源波束成形向量和無源波束成形矩陣獲取，具體如下：

首先在給定無源波束成形矩陣Ψ的情況下，令代入公式(9)和(10)可得

進一步得到

公式(15)為一個多分式比值模型，利用相應的二次變換可得

其中，γ_k是在二次變換中引入的相應的輔助變量，并且模型f₃變為了一個雙凸優化模型，通過分別固定v_k和γ_k交替迭代對二者進行優化；

根據模型f₃中γ_k的最優解為：

在給定γ_k的最優解之后，通過引入功率約束的拉格朗日乘子λ，得到(16)的拉格朗日標準形式的最優v_k的解為：

在公式(18)中λ的取值滿足：

其次，根據交替迭代，在得到有源波束成形向量后，固定v_k，對智能反射面的反射矩陣即無源波束成形矩陣Ψ進行優化，令并且有

原始優化模型進一步表示為：

同樣的，利用二次變換得

其中，ρ_k是在此次二次變換中引入的輔助變量，ρ_k的最優解表示為：

在給定ρ_k之后，對f₅進一步簡化，首先有

其中，

得到

其中，

將公式(23)和(24)代入(21)化簡后得

其中，A為半正定矩陣，表示為A＝A₁+A₂，且有

把約束條件0≤ψ_n≤2π轉換為引入向量e_n；

進一步地，優化模型和約束條件變為：

進一步地，利用拉格朗日對偶模型解決方法且引入拉格朗日乘子ε_n，模型變為：

優化后的無源波束成形矢量表示為

式中ε_n為預設的值。

2.根據權利要求1所述的基于隨機頻率陣列和智能反射面的無線安全傳輸方法，其特征在于，所述多用戶系統模型包括依次連接的發射端天線、智能反射面控制器和智能反射面；所述發射端天線采用具有M個天線陣元的隨機頻率分集陣列，智能反射面為由N個反射單元組成的方形陣列，系統中存在K個期望用戶以及L個竊聽用戶，每個期望用戶與竊聽用戶的天線數目均為1。