CN112995989A - 面向5g应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,属于信息安全技术领域。本发明提出的一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,采用低计算复杂度的迭代优化算法,逐步逼近大规模可重构智能表面辅助保密通信***的最优保密波束成形和无源反射波束成形设计,在满足发射功率预算和离散相移约束下,最大化***的安全能效,提高无线通信***的安全传输性能。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术领域,具体涉及一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)安全传输方法。
背景技术
5G的低时延、高可靠、快速接入,及高安全、低功耗的安全需求,给安全加密方法带来了挑战。与完全依靠密钥的保密性与强计算的传统上层加密机制不同,物理层安全传输旨在利用无线信道的随机性、唯一性结合先进的信号处理技术,建立优势主信道,在确保合法收发机可靠通信的同时防止非法用户从接收到的信号中窃取保密信息。但是,传统物理层安全传输技术局限于牺牲传输速率或发射功率,被动适应无线信道环境,安全性能的大小随着时变衰落信道随机波动。
可重构智能表面通过大量无源反射单元结构,不需要牺牲***的传输速率和发射功率,通过被动反射接收信号,重新配置无线信道环境,能够实时高效构建优势主信道,在实现***更高的频谱和能量效率的同时,获得更大的安全传输速率。同时,可重构智能表面因其成本低、重量轻,可以灵活部署在建筑物外立面、工厂天花板甚至于系留式高空平台。基于大规模可重构智能表面辅助的安全传输***在海量节点轻量级安全传输的场景中具备广阔的应用前景。但是,目前通常仅考虑一个可重构智能表面辅助的安全速率最大化问题,5G以及未来无线通信极有可能会大规模部署RIS,探索如何利用多个RIS辅助安全通信是一项重要的研究工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有物理层安全的不足,提供一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法。本发明提出低计算复杂度的迭代优化算法逐步逼近最优传输策略,满足保密信号发射机功率预算和大规模可重构智能表面离散相移的约束条件,最大化无线通信***的安全能效。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
其中,为目标函数,表示通信带宽, 表示对复数取实部操作, 为中间变量,,为等效的主信道,,表示对矩阵或向量进行复共轭转置操作,表示以向量作为对角元素构成的对角矩阵,表示信号发射机到合法用户的信道,表示信号发射机到第个可重构智能表面的信道,,表示第个可重构智能表面到合法用户的信道;为等效的窃听信道,,表示信号发射机到第个窃听者的信道,表示第个可重构智能表面到第个窃听者的信道;为合法用户的接收噪声方差,为第个窃听者的接收噪声方差;表示信号发射机的波束成形向量,为最强窃听能力的***的信噪比上限;为第n次迭代的波束成形向量,的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的相移列向量,的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的最强窃听能力的***的信噪比上限,的初始值为随机预设的可行解,为初始化的安全能效;为信号发射机的功率放大器有效系数,为信号发射机的发射功率;为信号发射机中每根天线的恒定电路功耗,为合法用户中天线的恒定电路功耗,为每个可重构智能表面中第m个可编程的b位分辨率反射单元的功耗,为信号发射机的预设的最大功率,N为信号发射机的发射天线的数量,K为非法窃听者的数量;
其中,为优化后的,表示相移列向量的第1到LM行元素组成的子向量,,为取相位操作,,为取共轭操作,为步骤S2中的第1到LM行元素组成的子向量,其初始值为的初始值中第1到LM行元素组成的子向量,,表示等效的主信道中第1到LM行元素组成的子矩阵,,,,表示等效的窃听信道中1到LM行元素组成的子矩阵,,是矩阵的最大特征值运算,是LM×LM维单位矩阵, ;为非负因子,采用二分法求解得到;
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提出的一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,采用低计算复杂度的迭代优化算法,逐步逼近大规模可重构智能表面辅助保密通信***的最优保密波束成形和无源反射波束成形设计,在满足发射功率预算和离散相移约束下,最大化***的安全能效,提高无线通信***的安全传输性能。
附图说明
图1为发射功率预算和1个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图;
图2为发射功率预算和2个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图;
图3为发射功率预算和8个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图;
图4为窃听者个数影响下的最大安全能效仿真图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
其中,为目标函数,表示通信带宽, 表示对复数取实部操作, 为中间变量,,为等效的主信道, ,表示对矩阵或向量进行复共轭转置操作,表示以向量作为对角元素构成的对角矩阵,(1×N维复矩阵集合)表示信号发射机到合法用户的信道,(M×N维复矩阵集合)表示信号发射机到第 个可重构智能表面的信道,(1×N维复矩阵集合)表示第个可重构智能表面到合法用户的信道;为等效的窃听信道,,(1×N维复矩阵集合)表示信号发射机到第个窃听者的信道,(1×N维复矩阵集合)表示第个可重构智能表面到第个窃听者的信道;为合法用户的接收噪声方差,为第个窃听者的接收噪声方差;(N×1维复矩阵集合)表示信号发射机的波束成形向量,为最强窃听能力的***的信噪比上限;为第n次迭代的波束成形向量, 的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的相移列向量,的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的最强窃听能力的***的信噪比上限,的初始值为随机预设的可行解,为初始化的安全能效;为信号发射机的功率放大器有效系数,为信号发射机的发射功率;为信号发射机中每根天线的恒定电路功耗,为合法用户中天线的恒定电路功耗,为每个可重构智能表面中第m个可编程的b位分辨率反射单元的功耗,为信号发射机的预设的最大功率,N为信号发射机的发射天线的数量,K为非法窃听者的数量;信号发射机在进行保密波束成形设计时,、和的初始值,即初始点为随机预设的满足(1a)、(1b)和(1c)的可行解;安全优化问题(1a)、(1b)和(1c)关于优化变量是凸优化问题,利用数学工具CVX即可获得最优的安全设计;
其中,为优化后的,表示相移列向量的第1到LM行元素组成的子向量,,为取相位操作,,为取共轭操作,为步骤S2中的第1到LM行元素组成的子向量,其初始值为的初始值中第1到LM行元素组成的子向量, ,表示等效的主信道 中第1到LM行元素组成的子矩阵,,,,表示等效的窃听信道中1到LM行元素组成的子矩阵,,是矩阵的最大特征值运算,是LM×LM维单位矩阵, ;为非负因子,的最优解采用二分法求解得到;
S6. 信号发射机利用最优的波束成形向量控制保密信号传输方向,同时将得到的相移矩阵,通过控制链路反馈至每一个可重构智能表面的智能控制器,然后通过智能控制器独立调整每一个反射单元相移,实现对接收到的保密信号进行最优被动反射波束成形处理,辅助保密通信链路实现低功耗安全通信。
图1为发射功率预算和1个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图,图2为发射功率预算和2个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图,图3为发射功率预算和8个可重构智能表面影响下的最大安全能效仿真图。其中,对比方案1表示信号发射机采用最大比传输方案传输保密信号,***通过优化大规模RIS的相位,实现最大的安全能效;对比方案2表示信号发射机随机配置大规模RIS的相移,通过优化安全波束成形,获得***的最大安全能效。由图1~图3可知,通过增大安全通信***中RIS的数量,本发明方法可实现最大的安全能效。图4为窃听者个数影响下的最大安全能效仿真图。由图4可知,相比于对比方案1和对比方案2,本发明方案拥有更健壮的反射阵列增益建立优势主信道,随着窃听者数量的增大,本发明方案实现的安全能效下降速度比较小。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应该看作是对其他实施例的排除,而可用于其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
其中,为目标函数,表示通信带宽, 表示对复数取实部操作, 为中间变量,,为等效的主信道,,表示对矩阵或向量进行复共轭转置操作,表示以向量作为对角元素构成的对角矩阵,表示信号发射机到合法用户的信道,表示信号发射机到第个可重构智能表面的信道,,表示第个可重构智能表面到合法用户的信道;为等效的窃听信道,,表示信号发射机到第个窃听者的信道,表示第个可重构智能表面到第个窃听者的信道; 为合法用户的接收噪声方差,为第个窃听者的接收噪声方差;表示信号发射机的波束成形向量,为最强窃听能力的***的信噪比上限;为第n次迭代的波束成形向量,的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的相移列向量,的初始值为随机预设的可行解;为第n次迭代的最强窃听能力的***的信噪比上限,的初始值为随机预设的可行解,为初始化的安全能效;为信号发射机的功率放大器有效系数,为信号发射机的发射功率;为信号发射机中每根天线的恒定电路功耗,为合法用户中天线的恒定电路功耗,为每个可重构智能表面中第m个可编程的b位分辨率反射单元的功耗,为信号发射机的预设的最大功率,N为信号发射机的发射天线的数量,K为非法窃听者的数量;
其中,为优化后的,表示相移列向量的第1到LM行元素组成的子向量,,为取相位操作,,为取共轭操作,为步骤S2中的第1到LM行元素组成的子向量,其初始值为的初始值中第1到LM行元素组成的子向量,,表示等效的主信道中第1到LM行元素组成的子矩阵,,,,表示等效的窃听信道中1到LM行元素组成的子矩阵,,是矩阵的最大特征值运算,是LM×LM维单位矩阵,;为非负因子,采用二分法求解得到;
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113541760A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 南京邮电大学 | 基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网*** |
CN113938184A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-01-14 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种无人机搭载智能反射表面协同传输方法 |
CN114531690A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-05-24 | 山西大学 | 一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法及装置 |
CN114826349A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-29 | 东南大学 | 一种基于可重构智能表面的发射功率最小化传输方法 |
WO2023070355A1 (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | Qualcomm Incorporated | WAKE UP SIGNAL (WUS) CONTENT AND DESIGNS FOR RECONFIGURABLE INTELLIGENT SURFACES (RISs) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20190229833A1 (en) * | 2018-01-24 | 2019-07-25 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme |
CN111010219A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-14 | 东南大学 | 可重构智能表面辅助的多用户mimo上行链路传输方法 |
CN111614387A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-01 | 西安交通大学 | 一种大规模天线***中的安全传输方法 |
CN112073102A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-11 | 郑州大学 | 一种基于irs的安全波束成形方法与装置 |
CN112383332A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-02-19 | 电子科技大学 | 一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信*** |
CN112564752A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-03-26 | 西安电子科技大学 | 一种优化稀疏天线激活可重构智能表面辅助通信方法 |
CN112601286A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-04-02 | 南京邮电大学 | 一种基于信道估计误差的用户调度方法 |
CN112688758A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-04-20 | 福州大学 | 基于随机频率阵列和智能反射面的无线安全传输方法 |
CN112804695A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-14 | 北京邮电大学 | 可重构智能表面辅助的无线通信方法及装置 |
-
2021
- 2021-04-30 CN CN202110481364.6A patent/CN112995989B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20190229833A1 (en) * | 2018-01-24 | 2019-07-25 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme |
CN111010219A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-14 | 东南大学 | 可重构智能表面辅助的多用户mimo上行链路传输方法 |
CN111614387A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-01 | 西安交通大学 | 一种大规模天线***中的安全传输方法 |
CN112073102A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-11 | 郑州大学 | 一种基于irs的安全波束成形方法与装置 |
CN112383332A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-02-19 | 电子科技大学 | 一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信*** |
CN112601286A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-04-02 | 南京邮电大学 | 一种基于信道估计误差的用户调度方法 |
CN112564752A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-03-26 | 西安电子科技大学 | 一种优化稀疏天线激活可重构智能表面辅助通信方法 |
CN112688758A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-04-20 | 福州大学 | 基于随机频率阵列和智能反射面的无线安全传输方法 |
CN112804695A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-14 | 北京邮电大学 | 可重构智能表面辅助的无线通信方法及装置 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
W. YAN等: "Passive Beamforming and Information Transfer Design for Reconfigurable Intelligent Surfaces Aided Multiuser MIMO Systems", 《IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS》 * |
刘琪 等: "基于波束成形的多用户分级的物理层安全分析", 《无线通信技术》 * |
章露萍 等: "多天线物理层安全传输***性能分析", 《信息安全与通信保密》 * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113541760A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 南京邮电大学 | 基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网*** |
CN113541760B (zh) * | 2021-07-20 | 2023-11-07 | 南京邮电大学 | 基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网*** |
WO2023070355A1 (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | Qualcomm Incorporated | WAKE UP SIGNAL (WUS) CONTENT AND DESIGNS FOR RECONFIGURABLE INTELLIGENT SURFACES (RISs) |
CN113938184A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-01-14 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种无人机搭载智能反射表面协同传输方法 |
CN113938184B (zh) * | 2021-11-29 | 2023-11-14 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 一种无人机搭载智能反射表面协同传输方法 |
CN114531690A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-05-24 | 山西大学 | 一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法及装置 |
CN114826349A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-29 | 东南大学 | 一种基于可重构智能表面的发射功率最小化传输方法 |
CN114826349B (zh) * | 2022-04-19 | 2024-02-02 | 东南大学 | 一种基于可重构智能表面的发射功率最小化传输方法 |
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