[發明專利]IRS與人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方法

有效

• 申請號: 202110272175.8
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113037346B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 景小榮;宋振遠
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/06;H04L9/40
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種IRS與人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方法，其特征在于，該方法首先基于均方誤差準則將保密速率目標函數等價處理，然后采用交替迭代的方式，利用凸優化中的內點法求解波束賦形矩陣和人工噪聲協方差矩陣，然后固定這兩個變量；利用分支定界法求解智能反射表面相移矩陣；這兩個過程交替進行，直至保密速率目標函數達到收斂；

該方法具體包括以下步驟：

S1：將保密速率目標函數通過均方誤差準則做等價轉換，即將波束賦形矩陣F、人工噪聲協方差分解矩陣V_E以及智能反射表面相移矩陣Θ分離開；

S2：根據步驟S1將三變量耦合問題分解為兩組變量優化問題；

首先，根據均方誤差準則，引入輔助變量，將優化的保密速率目標函數做等價處理；然后，固定智能反射表面相移矩陣Θ，以最大化系統保密速率為目標，利用凸優化中的內點法求基站波束賦形矩陣F以及人工噪聲協方差分解矩陣V_E；

S3：根據步驟S2得到基站的波束賦形矩陣F以及人工噪聲協方差分解矩陣V_E，然后再次以最大化保密速率目標函數為目標，通過分支定界法獲得智能反射表面相移矩陣Θ；

S4：根據完美的信道狀態信息，根據步驟S2和步驟S3，獲得局部最優的波束賦形矩陣F、人工噪聲協方差分解矩陣V_E、智能反射表面相移矩陣Θ以及整個系統的最大化保密速率；

步驟S2中，求解基站波束賦形矩陣F以及人工噪聲協方差分解矩陣V_E，具體包括：

首先，根據均方誤差準則，通過輔助變量U_L,W_L,U_E,W_E,W₃，其中，U_L表示在合法接收者處對接收信號的均方誤差檢測矩陣，U_E表示竊聽者處的對接收信號的均方誤差檢測矩陣，對目標函數做如下處理；

其中，是對發送功率的約束，P表示基站最大發射功率；是對智能反射表面相移矩陣單元中相位θ_i的約束，M表示智能反射表面中反射單元的個數；R'_AN(F,Θ,V_E,U_L,W_L,U_E,W_E,W₃)的形式為：

當給定變量F、Θ、V_E初始值后，輔助變量{U_L,W_L,U_E,W_E,W₃}的值通過下列幾個式子求得最優解：

其中，H_L表示矩陣乘積的縮寫，即H_L＝H_ILΘH_BI，H_IL表示IRS到合法接收者之間的信道矩陣，H_BI表示基站到IRS之間的信道矩陣，Θ表示IRS相移矩陣；表示維度為N_L×N_L的單位陣，N_L表示合法接收者的天線數量，I_d表示維度為d×d的單位陣，Tr(·)表示跡運算，表示在合法接收者處的噪聲方差；

其中，表示維度為N_T×N_T的單位陣，N_T表示BS的天線數量，表示維度為N_E×N_E的單位陣，N_E表示竊聽者的天線數量，表示在竊聽者處的噪聲方差；

將求得的輔助變量{U_L,W_L,U_E,W_E,W₃}的值代入優化的目標函數，則有：

其中，

當固定智能反射表面相移矩陣Θ時，優化波束賦形矢量矩陣F以及人工噪聲協方差分解矩陣V_E的表達式為：

步驟S3中，獲得智能反射表面相移矩陣Θ，具體包括：

當固定變量束{F,V_E}后，優化目標函數寫為：

將上式中目標函數做如下表示：

令H_BI表示基站BS到IRS之間的信道矩陣，H_IL表示IRS到合法接收者之間的信道矩陣，H_IE表示IRS到竊聽者之間的信道矩陣，表示在竊聽者處噪聲方差的倒數，M_E表示多個矩陣乘積，即

則上式表示為：

根據矩陣分析理論，將矩陣的跡運算轉變為哈達瑪乘積，即

Tr(Θ^HG^H)＝g^H(v^*)

Tr(ΘG)＝v^Tg

其中，v是由對角矩陣Θ的對角元素構成的一列矢量，g是由矩陣G對角線元素構成的列矢量，即g＝[G_1,1,G_2,2,...,G_M,M]^T，則優化的目標函數表示為：

s.t.|v_i|＝1,i∈{1,2,...,M}

其中，表示哈達瑪乘積，*表示共軛運算，Re(·)表示取復數的實部；

步驟S4中，根據完美的信道狀態信息，利用交替迭代的方式，根據步驟S2和步驟S3，獲得局部最優的波束賦形矩陣F、人工噪聲協方差分解矩陣V_E、智能反射表面相移矩陣Θ，將這些變量代入輔助變量U_L,W_L,U_E,W_E,W₃更新輔助變量的值，然后再次將更新后的輔助變量的值代入步驟S2以及步驟S3中，獲得新的F、V_E以及Θ以及整個系統的最大化保密速率。