[發明專利]智能反射鏡輔助的安全空間調制系統的波束成形設計方法

在審

• 申請號: 202111162478.0
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113949428A
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 束鋒;王雪輝;黃夢醒;馮思玲;毋媛媛;蔣昕怡;董榕恩;張鵬;孫鐘文;占習超;揭琦娟;丁耀暉
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04L27/18;H04L27/34
• 代理公司: 海南漢普知識產權代理有限公司 46003
• 代理人: 麥海玲

本發明提供智能反射鏡輔助的安全空間調制系統的波束成形設計方法，通過調節反射元件的通斷狀態來執行無源波束形成和信息傳輸，在發射機到接收機的直接路徑信道存在障礙物以及IRS僅反射信號一次的情況下，提出了一個使平均安全速率(SR)最大化的優化問題，并通過設計和優化IRS處的無源波束成形來解決此優化問題。由于SR的表達式比較復雜，推導了傳統的近似SR(TASR)的表達式以及推導了一個新的且具有更簡單的封閉形式的擬合表達式(NASR)，再基于TASR和NASR兩個擬合表達式，提出了三種波束形成方法，即基于半定松弛(SDR)法最大化TASR(Max?TASR?SDR)、基于連續凸逼近(SCA)法最大化NASR(Max?NASR?SCA)和基于對偶上升(DA)法最大化NASR(Max?NASR?DA)，以改進、提高IRS輔助的SSM系統的SR性能。

技術領域

本發明涉及波束技術領域，尤其涉及智能反射鏡輔助的安全空間調制系統的波束成形設計方法。

背景技術

傳統的空間調制(Spatial Modulation，SM)技術的傳輸原理是將發送的信息比特中的一部分映射為傳統的幅度相位調制符號，另一部分則通過天線索引攜帶。SM在空間復用和分集之間取得了很好的平衡，由于沒有信道間干擾(Inter-channel Interference，ICI)、天線間同步(Inter-antenna Synchronization，IAS)和使用不太活躍的射頻(RadioFrequency，RF)鏈的優勢，SM變得更具吸引力。因此，它也是一種綠色無線傳輸技術。

智能可重構表面(Intell igent Reconfigurable Surface，IRS)已經成為一種革命性的技術，用于提高未來無線通信的覆蓋范圍、能量和頻譜效率。具體來說，IRS由大量小的、低成本的無源元件組成。這些元件僅反射具有可調相移的入射信號，而不需要復雜的預編碼和射頻處理。IRS配備智能控制器，能夠智能調節入射信號的相位，增加接收信號能量，擴大覆蓋區域，緩解干擾，從而提升無線網絡的通信質量。

由于IRS的優勢，SM和IRS結合的通信網絡已經引起了越來越多的關注。但以往的研究都集中在最大化接收信號的強度、速率、能效和中斷概率，關于IRS輔助的SM系統的SR性能的研究還沒有。為了驗證IRS的輔助是否能提高SSM系統中SR性能這個問題，本發明提供了具有重要意義的IRS輔助的安全SM系統。在該系統中，發射端Al ice具有單根天線，而接收者Bob和竊聽者Eve均具有多根天線。我們將SM原理應用于IRS，激活IRS的一組元件，并反射信號到接收端，同時運用被激活的、處于工作狀態的IRS元素索引組合來傳達IRS的空間信息。此外，我們還在發射端到接收端之間設置了IRS通信所必需的障礙物。

發明內容

鑒以此，本發明的目的在于提供智能反射鏡輔助的安全空間調制系統的波束成形設計方法，運用IRS輔助安全空間調制系統，提高系統的SR性能。本發明提供的IRS輔助的安全空間調制系統的波束成形設計可實現提高系統的SR性能。

本發明采用的技術方案如下：

智能反射鏡輔助的安全空間調制系統的波束成形設計方法，所述方法包括以下步驟：

S1：將智能反射鏡(IRS)的N個元件平均分組成G組，每組含有N/G個元件，且每組元件的反射系數都不同，在每個符號持續周期內，隨機激活一組元件來反射入射傳輸信息信號，而剩余的G-1組則處于未激活狀態用以實現空間調制(SM)方案；

S2：將傳輸信息信號劃分為兩部分，第一部分表示為j∈{1，2，…，M}，被調制為M階正交幅度調制(QAM)或相移鍵控(PSK)符號，而第二部分i∈{1，2，…，G}則用于激活智能反射鏡(IRS)元件中某組元件S以發射信號；

S3：通過評估平均安全速率(SR)描述智能反射鏡(IRS)輔助的安全空間調制系統的安全性；