一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，包括外部窃听和内部窃听两种场景，基站通过智能反射面的辅助发送信息给合法的非正交用户，设计方法包括建立智能反射面辅助NOMA安全通信系统模型、给出合法用户和窃听用户的接收信号表达式和检测信噪比，利用1

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法


[0001]本专利技术涉及一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，属于无线通信
，尤其是涉及两种窃听模型(外部窃听和内部窃听)以及一种将反射单元上连续相移转变为随机相移的1
‑
bit编码方法。

技术介绍

[0002]随着5G通信系统的商业部署，6G移动通信网络的多址接入技术需要从系统和网络的角度出发，实现给定物理资源条件下网络总接入用户数和总吞吐量的有效提升。功率域NOMA技术借助于叠加编码机制将多个用户的信息在相同的物理资源上传输，能够增强无线通信系统的频谱效率以及用户连接密度；在多址接入信道和退化广播信道下，发送端使用叠加编码机制将多个用户的信息进行叠加发送，接收端使用串行干扰删除机制进行多用户检测可以达到多用户系统的容量界。功率域NOMA允许大量用户同时接入相同的信道进行通信，提高了用户接入通信网络能力，达到与机会式通信相同的系统吞吐量性能。
[0003]无线信道的开放性和差异化的通信服务需求使得用户的信息安全和隐私保护显的尤为重要，安全通信是保证无线通信网络能够提供给用户稳定、可靠性服务的关键。物理层安全技术充分利用无线信道的多样性、时变性和互易性特点，在保证合法用户安全接收私密信息的同时窃听者无法获得任何有用信息。在NOMA网络中，由于发送端采用叠加编码接收端使用串行干扰删除解码的特性，有可能存在恶意拦截、窃听用户信息的情况(外部窃听)或导致非正交用户成为被动偷听者(内部窃听)。因此，如何从物理层保障NOMA网络的安全通信，是需要考虑的关键问题。
[0004]智能反射面辅助无线通信作为一种新兴技术受到了学术界和工业界的广泛关注，它由金属、介质和可调元件构成的人造电磁单元排列组成。电磁单元的尺寸大小、几何结构和排列方式决定了它们的反射特性。例如通过施加在变容二极管上的电压或光敏元件上的光强，可以动态地控制这些电磁单元的电磁性质；通过改变电磁单元的反射系数和透射系数，进而实现以可编程的方式调控电磁波的各种参数。智能反射面不仅可以执行无源反射功能，还具有无源吸收、透射和散射等能力。通过软件控制，它能实现对无线传播环境的主动改善和定制，可以根据所需无线功能对无线信号进行灵活调控，例如保障通信网络安全、减小电磁污染和提高系统吞吐量等，实现对无线传播环境的智能调控。目前智能反射面辅助NOMA的安全无线通信已经成为学术界和工业界的研究热点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于在功率域NOMA系统中引入智能反射面，充分发挥两者优势，实现有限通信资源上的实现安全可靠传输，设计高效的安全通信传输方案。
[0006]一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，其包括以下步骤：
[0007]步骤一：建立智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统模型，写出合法用户以及外部和内部两种窃听场景下窃听者的接收信号表达式；
[0008]步骤二：近端用户使用串行干扰删除先检测远端用户的信号将其删除，然后再检测自己的信号；远端用户直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号；
[0009]步骤三：对于外部窃听场景，窃听者首先将近端用户的信息作为干扰信号解码出远端用户信息并将其删除，然后再解码近端用户的信息；对于内部窃听场景，将远端用户作为窃听者解码近端用户信息；
[0010]步骤四：对步骤二和步骤三中给出的用户检测信干噪比进行处理，使用1
‑
bit编码机制将智能反射面的连续相移转变为随机相移，以最大化合法用户的信干噪比；
[0011]步骤五：定义智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统中用户的安全中断事件，推导出非正交用户的安全中断概率表达式。
[0012]作为上述技术方案的改进，通信系统具体包括一个基站、一块智能反射面、一对合法非正交用户和一个外部窃听者，基站在智能反射面的辅助下将两个用户的叠加信息发送给合法用户，同时窃听者采用被动窃听模式窃取合法信息，在该系统中基站和用户之间的通信链路受到建筑物的阻挡而无法直接通信，只能通过反射面的辅助完成；
[0013]假设智能反射面上包括M个反射单元，基站到反射面和反射面到用户的复信道系数分别用h
sr
和h
ri
,i∈{n,f,e}表示，并将其建模为瑞利衰落信道，不失一般性，利用表示智能反射面的特性，η
m
∈(0,1]表示反射面的固定放大反射系数，θ
m
∈[0,2π)表示第m个反射单元的相移；此时，近端和远端用户的接收信号分别表示为
[0014][0015][0016]由于信道的广播特性，窃听者的接收信号表达式为
[0017][0018]其中，x
n
和x
f
分别表示近端和远端用户的归一化能量信号，a
n
和a
f
表示近端和远端用户的功率分配因子且满足关系式a
f
≥a
n
和a
f
+a
n
＝1，P
s
表示在基站处的归一化发送功率，h
sr
＝[h
sr1
,
…
,h
srm
,
…
h
srM
]H
，其中h
srm
～CN(0,Ω
sr
)表示基站到第m个反射单元的复信道系数，h
ri
＝[h
ri1
,
…
,h
rim
,
…
h
riM
]H
,i∈{n,f,e}，其中，h
rim
～CN(0,Ω
ri
)表示第m个反射单元到用户的复信道系数，n
i
表示用户处的高斯白噪声。
[0019]作为上述技术方案的改进，步骤二具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户(用户n)解码自身信号对应的信干噪比表达式为
[0020][0021]其中，表示发送端信噪比，具体而言，和分别表示用户使用了理想串行干扰删除和非理想串行干扰删除机制；对于远端用户(用户f)，直接将近端用户的信息当作干扰解码自身信号的信干噪比可以表示为
[0022][0023]作为上述技术方案的改进，步骤三具体包括：对于外部窃听场景，根据NOMA解码顺序准则，窃听者采用串行干扰删除解码近端用户(用户n)信息时对应的信干噪比表达式为
[0024][0025]窃听者解码远端用户信息时对应的信干噪比表达式为
[0026][0027]对于内部窃听场景，远端用户作为窃听者解码近端用户信息时的信干噪比表达式为
[0028][0029]作为上述技术方案的改进，步骤四具体包括：从应用角度分析，连续改变智能反射面的反射单元幅度和相位有利于增强网络性能，但需要精确设计和昂贵的硬件体系结构，这将给智能反射面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统模型，写出安全用户以及外部和内部两种窃听场景下窃听者的接收信号表达式；步骤二：近端用户使用串行干扰删除先检测远端用户的信号将其删除，然后再检测自己的信号；远端用户直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号；步骤三：对于外部窃听场景，窃听者首先将近端用户的信息作为干扰信号解码出远端用户信息并将其删除，然后再解码近端用户的信息；对于内部窃听场景，将远端用户作为窃听者解码近端用户消息；步骤四：对步骤二和步骤三中给出的用户检测信干噪比进行处理，使用1
‑
bit编码机制将反射单元的连续相移转变为随机相移，以最大化合法用户的信干噪比；步骤五：定义智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统中用户的安全中断事件，推导出非正交用户的安全中断概率表达式。2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的功率域NOMA安全通信系统设计方法，其特征在于：该安全通信系统具体包括一个基站、一块智能反射面、一对合法的非正交用户和一个外部窃听者，基站在智能反射面的辅助下将两个用户的叠加信息发送给合法用户，同时窃听者采用被动窃听模式窃取合法信息，在该系统中基站和用户之间的通信链路受到建筑物的阻挡而无法直接通信，只能通过反射面的辅助才能完成；智能反射面上包括M个反射单元，基站到反射面和反射面到用户的复信道系数分别用h
sr
和h
ri
,i∈{n,f,e}表示，并将其建模为瑞利衰落信道，不失一般性，利用表示智能反射面的反射特性，η
m
∈(0,1]表示反射面上第m个单元的放大反射系数，θ
m
∈[0,2π)表示第m个反射单元的相移；此时，近端和远端用户的接收信号分别表示为的接收信号分别表示为由于信道的广播特性，窃听者的接收信号表达式可以写为其中，x
n
和x
f
分别表示近端和远端用户的归一化能量信号，a
n
和a
f
表示近端和远端用户的功率分配因子且满足关系式a
f
≥a
n
和a
f
+a
n
＝1，P
s
表示在基站处的归一化发送功率，h
sr
＝[h
sr1
,
…
,h
srm
,
…
h
srM
]
H
，其中h
srm
～CN(0,Ω
sr
)表示基站到第m个反射单元的复信道系数，h
ri
＝[h
ri1
,
…
,h
rim
,
…
h
riM
]
H
,i∈{n,f,e}，其中，h
rim
～CN(0,Ω
ri
)表示第m个反射单元到用户的复信道系数，n
i
表示用户处的高斯白噪声。3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的功率域NOMA安全通信系统设计方法，其特征在于：步骤二具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户(用户n...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳新伟，巩彩虹，刘荣科，李学华，刘元玮，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：