[发明专利]一种RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法

说明书

本发明公开了一种RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法，该方法通过采用RIS辅助和WPCN无线供能技术，可实现WPCN系统的安全通信和终端的无限能量补充。该通信方法包括以下步骤：S1:构建RIS辅助的WPCN系统网络模型；S2:确定模型优化的原问题，在充分考虑非线性能量收集模型的情形下，建立以最大化系统安全传输速率为目标的优化问题；S3:简化所述原问题，通过采用AO、SCA和SDR方法将原问题转化为若干凸子问题；S4:建立迭代算法，通过所述迭代算法对所述若干子问题进行交替迭代求解从而得到最优基站波束赋形因子、RIS能量与信息反射系数、以及时间分配因子，实现系统安全传输速率最大化。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种适用于无线供能通信网络(Wireless Powered Communication Networks,WPCN)系统的物理层安全通信方法。

背景技术

物理层安全通信利用无线信道的随机性来实现保密通信，与传统加密方式相比，具有更高的安全性。WPCN利用收集技术提取接收信号中的能量，可以为无线终端节点的能量受限问题提供便利的解决方法。可重构智能表面(Reconfigurable IntelligentSurface,RIS)由大量低成本的无源元件组成的一个无源反射表面阵列，可对无线电波进行相位、幅度和频率等的调整，使网络达到性能最佳化、损耗最低化的目的。将RIS应用于物理层安全，可望进一步提高无线网络的安全性。

目前已有一些学者对WPCN物理层安全进行一定的研究。胡凯等申请的专利《一种基于智能反射面WPCN系统的物理层安全通信方法》提出了RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法，但其未考虑能量收集电路本身的能量消耗，并且考虑线性能量收集模型，与实际的能量收集电路不符。Zhong Y在《IEEE Communications Letters》发表的论文“Cooperative Jamming-Aided Secure Wireless Powered Communication Networks:AGame Theoretical Formulation”中，提出利用干扰节点协作WPCN系统实现安全传输的方法，其不足之处在于该方案同样考虑线性能量收集模型，并且在上行链路用户向基站传输信息时，干扰源生成的人工噪声对窃听端和用户端都会造成干扰，从而影响系统的安全传输速率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法。在考虑电路硬件损耗和非线性能量收集模型的情形下，以系统的安全传输速率最大化为目标，对基站波束赋形因子、RIS能量与信息反射系数以及时间分配因子进行联合优化，以此达到在为终端节点提供无线充电功能的同时，提高合法终端的信息传输速率、降低窃听端的窃听能力，从而实现安全通信的目的。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法，该WPCN系统包括1个配备N根发射天线构成均匀线形阵列的基站、1个配备M个反射单元构成均匀矩形阵列的控制器RIS、1个配备单天线的合法用户User和1个配备单个天线窃听端Eve，所述物理层安全通信方法的实现步骤如下：

S1、在传输开始前，基站向包括用户User和控制器RIS在内的所有接收端发送广播指令，所有接收端收到广播指令后向基站发送训练信号；

S2、基站根据接收的训练符号对WPCN系统上行合法信道进行估计，得到基站与控制器RIS的信道信息基站与用户User的信道信息其中表示基站的第i根天线与控制器RIS之间的信道信息，h_i表示基站的第i根天线与User之间的信道信息，表示复数域，通过信道信息的对称性获取基站与用户User的下行合法信道；

S3、定义最大化系统安全传输速率的优化问题如下

s.t.C1:0≤τ_k≤1,k＝0,1