CN111313951A - 基于非理想csi的irs辅助安全通信无线传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,该方法实施步骤如下:1)在IRS辅助通信的单小区下行链路通信***中,单天线合法用户和多天线基站分别发送导频序列到IRS处,IRS估计出用户的CSI;2)为了使发送功率最小化同时满足最糟糕情况下的用户安全速率大于某个阈值,基站和IRS根据得到的非理想CSI,设计波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号传输,该方法即保障了用户通信的安全性,又节省了资源,符合绿色通信和安全通信的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传输方法,具体的说是基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,属于无线通信技术领域。
背景技术
随着微机电***和超材料技术的发展,通过可编程表面实时控制反射信号的相移变得可行。这使得一种名为智能反射表面(intelligent reflecting surface,IRS)的新无线设备成为可能,该设备可以灵活地部署在无线网络中,提高整个通信***的性能。IRS通常由大量低成本的无源反射单元组成,每个单元都能够调节相移来反射入射的无线信号。通过自适应地调整反射单元的相移,IRS反射的信号可以在接收器上与非IRS反射的信号相长或相消地相加,以增强所需信号或抑制不希望的信号,例如干扰。在IRS辅助通信***中,可以联合设计发射机处的有源发射波束成形和IRS处的无源反射波束成形,以提高性能,例如,最小化发射功率和最大提高能量效率。
与传统的通信方式相比,利用IRS进行通信,具有以下特点:首先,与传统的中继相比,IRS不使用发送器模块,仅将接收到的信号采用无源阵列进行反射,因此不会产生额外的功耗;此外,有源中继通常以半双工模式运行,因此其频谱效率低于以全双工模式运行的IRS(尽管中继也可以全双工工作,但不可避免地会遭受严重的自干扰,这需要复杂的干扰消除技术);其次,与通过反射从阅读器发送的信号来与接收器进行通信的传统反向散射通信不同,IRS用于增强现有的通信链路性能,而不会通过反射传递其自身的任何信息。这样,就不会引入额外的干扰,在IRS增强的通信中,直通路径信号和反射路径信号都携带相同的有用信息,因此可以在接收器处相干地相加,以使总接收功率最大化。此外,由于IRS的阵列架构(无源)和操作机制(反射)比较特殊,因此它也不同于基于主动智能表面的大规模MIMO。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,以发送功率最小化为目标,同时满足最糟糕情况下的用户安全速率大于某个阈值,基站和IRS根据得到的非理想CSI(Channel State Information),设计波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号传输。
本发明的目的是这样实现的:一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,该方法适用于IRS辅助的安全通信无线传输***中,所述***包括:一个多天线基站,一块多个反射单元的IRS,一个单天线合法用户,多个多天线窃听用户,发送端根据非理想的CSI设计出波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号的传输,具体步骤如下:
步骤一:在IRS辅助通信的单小区下行链路通信***中,合法用户和基站分别发送导频序列到IRS处,IRS估计出用户信道状态信息;
步骤二:基站和IRS根据得到的非理想CSI,设计波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号传输。
作为本发明的进一步限定,在步骤一中,基站和合法用户分别发送导频序列到IRS处,IRS控制器估计出基站和IRS之间的CSI:G以及IRS和合法用户之间的CSI:h,假设***中有K个窃听用户,然后IRS根据以往与窃听用户的通信记录估计非理想的窃听用户CSI:以及估计误差εk,满足:
作为本发明的进一步限定,在步骤二中,设计波束成形向量和相位转移矩阵的具体步骤如下:
步骤2b)求解如下凸问题,得到最优解W(t1):
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
(1)本方法采用智能反射面辅助通信,并利用交替优化方法得到最优的相位转移矩阵和波束向量,***实现复杂度和能量消耗都较低。此外,本方法的设计仅利用非理想的CSI,更贴近实际通信场景。
(2)本方法基于最坏情况进行设计,即将最坏情况下的最低用户安全速率大于速率阙值作为限制条件,由此设计出的波束和相位转移更加可靠,有效保证用户安全通信的最低需求。
附图说明
图1为IRS辅助安全通信***的示意图。
图2为本发明实施例提供的基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示,IRS辅助安全通信***包括:一个多天线基站,一块IRS,一个单天线合法用户,多个多天线窃听用户。
如图2所示,基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法的流程图,该方法包括以下步骤:
步骤101:基站和合法用户分别发送导频序列到IRS处,IRS控制器估计出基站和IRS之间的CSI:G以及IRS和合法用户之间的CSI:h,假设***中有K个窃听用户,然后IRS根据以往与窃听用户的通信记录估计非理想的窃听用户CSI:以及估计误差εk,满足:
步骤102:根据非理想的CSI,设计波束成形向量和相位转移矩阵,具体步骤如下:
步骤202)、求解如下凸问题,得到最优解W(t1):
上述方法采用智能反射面辅助通信,利用交替优化方法得到最优的相位转移矩阵和波束向量,只需迭代几次,就能收敛,因此,***实现复杂度和能量消耗都较低。由于本方法将最坏情况下的最低用户安全速率大于速率阙值作为限制条件,有效保证用户安全通信的最低需求,提高了本方法的可靠性。此外,本方法的设计仅利用非理想的CSI,使得本方法具有很强的鲁棒性和现实可行性,能应用于实际通信场景。
以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内,因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,其特征在于:该方法适用于IRS辅助的安全通信无线传输***中,所述***包括:一个多天线基站,一块多个反射单元的IRS,一个单天线合法用户,多个多天线窃听用户,发送端根据非理想的CSI设计出波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号的传输,具体步骤如下:
步骤一:在IRS辅助通信的单小区下行链路通信***中,合法用户和基站分别发送导频序列到IRS处,IRS估计出用户信道状态信息;
步骤二:基站和IRS根据得到的非理想CSI,设计波束成形向量和IRS相位转移矩阵,进行信号传输。
3.根据权利要求1所述一种基于非理想CSI的IRS辅助安全通信无线传输方法,其特征在于,在步骤二中,设计波束成形向量和相位转移矩阵的具体步骤如下:
步骤2b)求解如下凸问题,得到最优解W(t1):
s.t.Tk(W,μk,α)≥0k=1,2,…,K
1+(hΞ)W(hΞ)H≥α,
W≥0,
μk≥0,k=1,2,…,K
s.t.Uk(V,μk,α)≥0k=1,2,…,K
1+(hΦ)V(hΦ)H≥α,
V≥0,
μk≥0,k=1,2,…,K
Vn,n=1n=1,2,…,Nr
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