[发明专利]基于随机频率阵列和智能反射面的无线安全传输方法

权利要求书

1.一种基于随机频率阵列和智能反射面的无线安全传输方法，提供一多用户系统包括依次连接的发射端天线、智能反射面控制器和智能反射面，其特征在于，具体包括以下步骤：

构建多用户系统模型，选取系统中所有期望用户的最大化信泄噪比加权和作为系统的目标函数；

通过结合相应的凸优化理论，运用交替迭代优化的思想，得到相应的有源波束成形向量和无源波束成形矩阵,即得到智能反射面的反射矩阵；

所述期望用户的信泄噪比，具体如下：

首先，发射端随机频率分集阵列中每个天线阵元的频率为：

f_m＝f_c+k_mΔf,m＝1,2,...,M (1)

其中f_c为中心频率，不同的k_m分布决定了使用不同的频率映射规则来分配天线阵元的载波频率，Δf为固定的频率增量；

对于预设位置(r,θ)处，发射端随机频率分集阵列的归一化天线导向向量表示为：

其中，Φ_m(r,θ)为第m个天线阵元的相移，进一步表示为：

式中d表示天线阵列中相邻阵元之间的距离，c表示光速；

第k个期望用户，第l个窃听用户以及智能反射面相对于发射天线的位置分别定义为(r_B,k,θ_B,k)，(r_E,l,θ_E,l)，(r_s,θ_s)，k＝1,2,…,K，l＝1,2,…,L；将每个期望用户的位置、每个窃听用户的位置以及智能反射面的位置代入公式(2)和(3)即可得到相对应的归一化天线导向向量，分别表示为h_B,k，h_E,l和h_S；

其次，使用p_B,k，p_E,l和e_r分别表示智能反射面与第k个期望用户，第l个窃听用户以及发射天线之间的导向向量；

根据发射端天线随机频率分集阵列与智能反射面二者之间的信道导向向量，得到二者之间的信道矩阵为：

智能反射面的反射矩阵表示为：

其中，β_n∈(0,1]表示第n个反射单元的幅度反射系数，n＝1,2,…,N，，ψ_n∈[0,2π]表示第n个反射单元的发射相移；Ψ即系统的无源波束成形矩阵；

发射信号表示为：

其中，s_k是要发送给第k个期望用户的隐私消息信号，隐私消息信号是一组均值为0方差为一的相互独立的随机变量；v_k为隐私消息信号s_k的有源波束成形向量；

进一步，得到第k个期望用户和第l个窃听用户的接收信号分别为：

其中，n_B,k和n_E,l分别是期望用户和窃听用户信道的加性高斯白噪声，二者均服从均值为0的高斯分布，方差分别为和

由公式(7)和(8)得到发送到第k个期望用户的隐私消息信号s_k的平均功率为：

泄漏到其他K-1个期望用户和L个窃听用户方向上的隐私信号s_k的平均功率为：

进一步，得到隐私消息信号s_k对于第k个期望用户的信泄噪比为：

所述目标函数具体为：

其中，P_max为发射端随机频率分集阵列，ω_k为每个隐私消息信号的信泄噪比所占的权重；

所述有源波束成形向量和无源波束成形矩阵获取，具体如下：

首先在给定无源波束成形矩阵Ψ的情况下，令代入公式(9)和(10)可得

进一步得到

公式(15)为一个多分式比值模型，利用相应的二次变换可得

其中，γ_k是在二次变换中引入的相应的辅助变量，并且模型f₃变为了一个双凸优化模型，通过分别固定v_k和γ_k交替迭代对二者进行优化；

根据模型f₃中γ_k的最优解为：

在给定γ_k的最优解之后，通过引入功率约束的拉格朗日乘子λ，得到(16)的拉格朗日标准形式的最优v_k的解为：

在公式(18)中λ的取值满足：

其次，根据交替迭代，在得到有源波束成形向量后，固定v_k，对智能反射面的反射矩阵即无源波束成形矩阵Ψ进行优化，令并且有

原始优化模型进一步表示为：

同样的，利用二次变换得

其中，ρ_k是在此次二次变换中引入的辅助变量，ρ_k的最优解表示为：

在给定ρ_k之后，对f₅进一步简化，首先有

其中，

得到

其中，

将公式(23)和(24)代入(21)化简后得

其中，A为半正定矩阵，表示为A＝A₁+A₂，且有

把约束条件0≤ψ_n≤2π转换为引入向量e_n；

进一步地，优化模型和约束条件变为：

进一步地，利用拉格朗日对偶模型解决方法且引入拉格朗日乘子ε_n，模型变为：

优化后的无源波束成形矢量表示为

式中ε_n为预设的值。

2.根据权利要求1所述的基于随机频率阵列和智能反射面的无线安全传输方法，其特征在于，所述多用户系统模型包括依次连接的发射端天线、智能反射面控制器和智能反射面；所述发射端天线采用具有M个天线阵元的随机频率分集阵列，智能反射面为由N个反射单元组成的方形阵列，系统中存在K个期望用户以及L个窃听用户，每个期望用户与窃听用户的天线数目均为1。