本技术涉及无线通信技术,提出一种在中断概率约束下,利用智能反射面(IRS)辅助实现安全速率最大化的设计方法。该方法在发射机、IRS、期望接收机和窃密者通信系统模型中,通过引入概率约束,确保传输系统的中断概率在可接受范围内。本发明将概率约束转化为确定性约束,并采用交替优化(AO)方法,分别优化发射机的波束成形矩阵和IRS的相移矩阵,有效解决信道不确定情况下的耦合变量优化问题,实现安全传输的最优设计。
背景技术
物联网时代的大量数据传输引起了人们对安全问题的严重关注,物理层安全成为未来无线网络设计的关键考虑因素。近年来,为了提高物理层安全,智能反射面(IRS)随之被推出。IRS通常由一定数量的低成本反射元件组成,每个反射元件都具有反射入射电磁波的可重构相移和振幅的能力。基于IRS的通信其在提高频谱效率和增强物理层安全性的显著优势。具体而言,当合法接收机和窃听者与基站(BS)处于同一方向时,合法用户的信道响应将与窃听者的信道响应高度相关。这使得传统的波束形成,将能量引导到合法的接收器,也有利于窃听者。因此,仅在收发机上使用波束形成很难保证安全性。由于部署IRS为合法接收方的附加传输链路提供更大的自由度,同时消除了针对窃听者的方向,因此可以显著提高合法用户的服务质量,减少信息泄漏,从而提高安全传输性能。
基于IRS的众多优点,IRS被广泛考虑应用于物理层安全,以提高安全速率性能。假设窃听者的信道具有完美的信道状态信息(CSI),并将窃听者视为网络中未调度的活跃用户。在此假设下,相对于随机相移或固定相移矩阵的传输,采用IRS的安全传输可以获得更高的安全速率。然而,即使窃听者是网络中计划外的活跃用户,由于IRS带来的级联信道,CSI估计和获取比传统通信系统更具挑战性。虽然最近已经提出了针对IRS系统的信道估计方案,但假设窃听者的完美CSI仍然很难现实。由于窃听者CSI的不确定性,需要考虑安全传输的中断。
因此,为了保证安全传输系统的中断概率在可容忍的范围内,本发明的安全传输系统设计引入了一个概率约束,这对进一步的分析具有挑战性。此外,相移、功率分配和传输速率在目标函数和概率约束中耦合。为了应对上述挑战,本文首先借助接收信号功率的指数分布,将难以处理的概率约束转化为确定性约束。在SOP约束和传输功率预算的情况下构建基于接收机安全速率和窃密者冗余率的优化问题。然后通过交替迭代优化算法对变量进行优化,进而求得相当的最优解。
实现思路