[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

本發明涉及一種IRS與人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方法，屬于無線通信技術領域。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。本發明與傳統的半定松弛的方法相比，可顯著提高系統的保密速率。其實現過程簡單，有較為廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，涉及智能反射表面以及人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方案。

背景技術

智能反射表面(intelligent?reflecting?surfaces，IRS)利用大量低成本無源反射元件，可實現對無線通信環境的智能配置。因此，IRS有望在未來移動通信中得到廣泛地應用。

具體地說，智能反射表面能夠通過低成本的無源元件(如印刷偶極子和移相器)來改變端到端的信號傳播方向，這是一個革命性的新特性，在任何現代無線系統中都沒有被利用。此外，該人造結構形式的超表面可以很容易的鑲嵌在建筑物墻壁的表面，從而降低了運營支出和部署智能反射表面的復雜性。因此，智能反射表面為許多應用提供了可能性，因為該表面提供了一種經濟有效的方法來控制無線電傳播環境，同時避免部署額外的耗電和昂貴的通信設備，如放大和轉發中繼器。特別是，這些特性使智能反射表面成為以經濟和節能的方式提高無線通信系統物理層安全性的關鍵推動者。

與有線通信系統傳輸信息的方式相比，無線通信系統由于是在一個開放的空間中傳輸信息，導致這種無線傳輸的安全性更加難以保證。傳統的提高物理層安全的方法有協作中繼、人工噪聲輔助波束成形、協作干擾等。雖然上述的集中方法可以在一定程度上提高物理層安全信息，但是相應的硬件復雜度較高和能量消耗較多。上述幾種物理層安全方案都是基于系統固有的信道狀態信息實現物理層安全傳輸，而近幾年提出的智能反射表面技術打破了這種固有的限制。通過調整IRS上的相移控制器，IRS能夠改變入射信號的幅度和相位信息，然后將反射波束朝著目標用戶集中反射，竊聽用戶僅能接收到較弱的旁瓣信號。由于IRS是由大量無源反射器件構成，只有在調整入射信號的相位時消耗能量，其它情況下基本不消耗能量，因此，可作為一種綠色通信技術增強物理層通信安全。

Zhang?Zheng等人研究了IRS輔助NOMA網絡中的安全傳輸問題，文中考慮竊聽者CSI不完備的情況，提出一種混入人工噪聲的波束賦形方案。Yu?Xiang?Hao等人研究了一個多天線AP服務多個單天線合法接收者，同時存在多個多天線竊聽者，并且考慮竊聽者信道的CSI不完備。因此，文獻中將人工噪聲混入發送信號中進一步破壞竊聽者的竊聽信號質量，通過聯合設計AP端波束賦形矢量和噪聲的協方差矩陣，以及IRS的相移反射矩陣，來最大化系統的保密速率。Hong?Shen等人研究了一種人工噪聲輔助MIMO通信系統的物理層安全模型，該模型得到的優化問題是一個高度非凸問題，文獻通過BCD的方法將耦合問題分解為多個子問題迭代求解。首先利用拉格朗日乘子法得到最優的傳輸預編碼矩陣和噪聲的協方差矩陣，然后利用MM算法得到IRS相移矩陣的次優解。

因此，亟需一種能夠降低計算復雜度及提高系統保密性能的的物理層安全設計方案。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種IRS與人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方法，解決現有的幾種智能反射表面相移矩陣的設計復雜度較高的問題，從而降低計算復雜度及提高系統保密性能。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種IRS與人工噪聲輔助的MIMO系統物理層安全設計方法，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：