面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法技术

本发明专利技术公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，属于智能超表面(RIS)辅助的无线通信系统应用领域。本发明专利技术不依赖诸如神经网络等高复杂度算法进行相位求解，而是基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，从而将相位求解用数学公式量化，能够降低智能超表面相位控制方法的复杂度；此外还考虑智能超表面中每个反射单元之间的距离差导致信道状态信息的变化，以及前一个反射单元相位确定后对等效信道状态信息的影响，提高信道参数估计精度，能够保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法


[0001]本专利技术属于智能超表面(RIS)辅助的无线通信系统应用领域，具体涉及一种面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法。

技术介绍

[0002]随着移动通信的不断发展，无线频谱资源的稀缺性使得通信系统的工作频率不断升高，从而导致无线网络覆盖难、能耗高的问题也越来越突出，成为制约移动通信产业的痛点。而智能超表面是一种全新的无线通信增强技术，将有望解决这两大痛点。该技术融合了人工电磁超材料技术和现代移动通信技术，是一门前沿交叉学科。智能超表面上的电磁反射元件的反射相位可以被软件实时调控，从而协同实现对入射电磁波的智能化操纵，将无线信号定向反射至用户终端。同时，由于其低成本、低功耗、易于部署等特性，该技术将有望成为5G+/6G的关键技术之一，也是国际竞争异常激烈的研究热点。
[0003]目前，智能超表面还处于一个发展阶段。在安全通信场景中，为提升用户保密速率，解决频谱资源紧缺问题,现有的方案大多以RIS反射相位为优化变量，基于保密速率构建优化问题，而后采用诸如神经网络算法进行求解。这些方案算法复杂度高，实现成本高，实现起来有困难。
[0004]因此，目前需要一种低复杂度智能超表面相位控制方法，在实现难度低的前提下，性能有所提升。

技术实现思路

[0005]针对现有的智能超表面相位控制方法复杂度高且计算耗时长的问题，本专利技术公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，不依赖诸如神经网络等高复杂度算法进行相位求解，而是基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，从而将相位求解用数学公式量化，能够降低低复杂度智能超表面相位控制方法的复杂度；此外还考虑智能超表面中每个反射单元之间的距离差导致信道状态信息的变化，以及前一个反射单元相位确定后对等效信道状态信息的影响，提高信道参数估计精度，能够保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率。
[0006]为达到以上的目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]本专利技术公开的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：考虑智能超表面RIS每个反射单元位置坐标差异导致的距离差异，构建信道衰落模型；根据信道衰落模型提高信道状态信息估计精度，从而提高相位估计的精度，有利于提升保密速率。
[0009]RIS首先收集发送端至RIS的信道状态信息h
tr
＝[h
tr,1
,h
tr,2
,...,h
tr,N
]T
、RIS至接收端的信道状态信息h
ru
＝[h
ru,1
,h
ru,2
,...,h
ru,N
]T
、RIS至窃听端的信道状态信息h
re
＝
[h
re,1
,h
re,2
,...,h
re,N
]T
、发送端至接收端的信道状态信息h
tu
以及发送端至窃听端的信道状态信息h
te
，其中h
tr,n
表示发送端至RIS第n个反射单元的信道状态信息，h
ru,n
表示RIS第n个反射单元至接收端的信道状态信息，h
re,n
表示RIS第n个反射单元至窃听端的信道状态信息，N表示RIS中反射单元的个数。
[0010]对于上述涉及到的所有信道状态信息的估计，在此只考虑大尺度衰落带来的影响。对于大尺度衰落，由距离导致的路径损耗模型由下式给出：
[0011]L(d)＝C0(d/d0)
‑
α
,d∈{d
tu
,d
te
,d
tr,n
,d
ru,n
,d
re,n
}
[0012]其中C0是参考距离d0时的路径损耗，α是路径损耗因子，d
tu
、d
te
、d
tr,n
、d
ru,n
、d
re,n
分别表示发送端至接收端、发送端至窃听端、发送端至RIS第n个反射单元、RIS第n个反射单元至接收端、RIS第n个反射单元至窃听端的距离。
[0013]所述路径损耗模型即为信道衰落模型。
[0014]信道状态信息h表示如下，θ代表信号在每条路径上的相位。
[0015][0016]步骤二：基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，并考虑均分两相位得到的多个相位，从而将相位求解公式量化，以降低低复杂度智能超表面相位控制方法的复杂度，提高计算速率，提高相位调控效率。
[0017]当为RIS中的第一个反射单元确定相位时，发送端至接收端的等效信道状态信息发送端至窃听端的等效信道状态信息RIS的反射单元能够用来增强发送端至接收端的传输增益，在此情况下，RIS的第一个反射单元相位应设置为RIS的反射单元也能够用来抑制发送端至窃听端的传输增益，在此情况下，RIS的第一个反射单元相位应设置为此外，还将考虑M个在两个相位中间的相位。为此，令当时，该反射单元的可能相位集合为
[0018][0019]当时，该反射单元的相位集合为
[0020][0021]其中表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的相位，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最大值，表示第一个反射单元以增强发送端至接收端传输增益为准、抑制发
送端至窃听端传输增益为准求得的两个相位的最小值。
[0022]所述相位集合即为相位求解公式，根据上述相位求解公式量化求解预测智能超表面反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，提高相位调控效率。
[0023]步骤三：根据保密速率确定反射单元的相位，选择最大保密速率下对应的智能超表面RIS相位，以保证保密速率性能提升最大。
[0024]对于反射单元的可能相位集合中的每个元素，计算相应的保密速率。第一个反射单元M+2个相位下用户速率、窃听速率、保密速率分别表示为
[0025][0026][0027][0028]其中p表示发送端的发射功率，σ2表示接收噪声。比较M+2个相位情况下的保密速率R
sec
，选择最大保密速率对应的反射单元相位，第一个反射单元相位配置完成，以保证保密速率性能提升最大。
[0029]步骤四：考虑之前反射单元相位配置完成后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：考虑智能超表面RIS每个反射单元位置坐标差异导致的距离差异，构建信道衰落模型；根据信道衰落模型提高信道状态信息估计精度，从而提高相位估计的精度，有利于提升保密速率；步骤二：基于智能超表面能够调控反射信号的相位，在反射链路等效相位和直通链路等效相位同相时增强信号，在反射链路等效相位和直通链路等效相位反相时抑制信号，并考虑均分两相位得到的多个相位，从而将相位求解公式量化，以降低智能超表面相位控制方法的复杂度，提高计算速率，提高相位调控效率；步骤三：根据保密速率确定反射单元的相位，选择最大保密速率下对应的智能超表面RIS相位，以保证保密速率性能提升最大；步骤四：考虑之前反射单元相位配置完成后对等效状态信息的影响，构建等效信道状态信息量化更新公式，提升相位估计精度；根据所述等效信道状态信息量化更新公式更新等效信道状态信息，实现单个反射单元相位配置，提高单个反射单元相位配置精度，从而提升保密速率；步骤五：智能超表面RIS有N个反射单元，按照步骤一至步骤四所述单个反射单元相位配置方法，对剩余反射单元依次进行相位配置，保证相位求解精度的同时提升安全通信系统的保密速率，直至完成智能超表面RIS相位高精度高效率配置，实现面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位高精度高效率控制，进而提高面向物理层安全通信效率和保密性。2.如权利要求1所述的面向物理层安全通信的低复杂度智能超表面相位控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，RIS首先收集发送端至RIS的信道状态信息h
tr
＝[h
tr,1
,h
tr,2
,...,h
tr,N
]
T
、RIS至接收端的信道状态信息h
ru
＝[h
ru,1
,h
ru,2
,...,h
ru,N
]
T
、RIS至窃听端的信道状态信息h
re
＝[h
re,1
,h
re,2
,...,h
re,N
]
T
、发送端至接收端的信道状态信息h
tu
以及发送端至窃听端的信道状态信息h
te
，其中h
tr,n
表示发送端至RIS第n个反射单元的信道状态信息，h
ru,n
表示RIS第n个反射单元至接收端的信道状态信息，h
re,n
表示RIS第n个反射单元至窃听端的信道状态信息，N表示RIS中反射单元的个数；对于上述涉及到的所有信道状态信息的估计，在此只考虑大尺度衰落带来的影响；对于大尺度衰落，由距离导致的路径损耗模型由下式给出：其中C0是参考距离d0时的路径损耗，α是路径损耗因子，d
tu
、d
te
、d
tr,n
、d
ru,n

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓铮，杨凯，万怡雯，赵耀，周荣花，杨杰，
申请(专利权)人：北京理工大学长三角研究院嘉兴，
类型：发明
国别省市：