一种RIS辅助的WPC系统物理层安全通信方法
一种ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法
技术领域
1.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：
2.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 intelligent surface,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。
3.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:a game 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。
技术实现要素：
4.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。
5.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
6.一种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、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：
7.s1、在传输开始前，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发送训练信号；
8.s2、根据接收的训练符号对wpcn系统上行合法信道进行估计，得到与控制器ris的信道信息与用户user的信道信息
其中表示的第i根天线与控制器ris之间的信道信息，hi表示的第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与用户user的下行合法信道；
9.s3、定义最大化系统安全传输速率的优化问题如下
[0010][0011]
s.t.c1:0≤τk≤1,k＝0,1
[0012]
c2:τ0+τ1＝1
[0013]
c3:||f||2≤p
max
[0014][0015][0016]
式中f＝[f1,f2,...,fi...,fn]表示波束赋形因子，fi表示第i根天线的波束赋形因子，τ＝[τ0,τ1]
t
表示时间分配因子，τ0表示传输能量信号的时间因子，τ1表示用户user传输信息信号的时间因子，e＝[e1,e2,...,em,...,em]
t
表示控制器ris能量反射系数向量，q＝[q1,q2,...,qm,...,qm]
t
表示控制器ris信号反射系数向量，r＝[τ1(r
u-re)]
+
＝maxτ1(r
u-re),0表示wpcn系统的安全传输速率，ru＝log2(1+γu)表示接收到用户user的信息速率，表示信噪比，表示上行链路用户user向发送信息信号的总信道增益，表示用户user的噪声功率，表示下行链路向用户user发送能量信号的总信道增益，μr|huf|2表示收集电路本身的功率消耗，μr表示电路损耗因子；re＝log2(1+γe)表示用户user被窃听端eve窃听到的信息速率，表示窃听端信噪比，表示窃听端eve窃听用户user发出信号的信道增益，表示窃听端eve的噪声功率；p
max
表示最大发送功率；p＝min|huf|2,p
sat
表示用户user接收功率，其中p
sat
表示用户user最大接收功率，|huf|2表示给用户传输的功率；约束条件c1和c2表示时间分配因子的可能取值；约束条件c3表示波束赋形因子f可能的取值；约束条件c4和c5分别表示em和qm可能的取值；
[0017]
s4、生成信号s，该信号s服从均值为0方差为1的高斯分布，在传输时隙t0＝τ0t中，其中t表示一个传输时隙的时间，利用波束赋形因子f，对信号s进行波束成形，向用户user传输的能量信号为yu＝(f
·
s)。
[0018]
进一步地，首先发送训练信号进行信道估计继而获取控制器ris与用户user之间的信道信息控制器ris与窃听端eve之间的信道信息通过准静态平稳衰落特性和信道的统计信息计算得到窃听端eve和用户user之间的信道信息
[0019]
进一步地，所述物理层安全通信方法中，首先利用ao、sca和sdr方法对步骤s3中所述的非凸优化问题进行分解，将其分解为若干凸子问题；
[0020]
进一步地，利用凸优化工具包cvx对步骤s3中所述的优化问题进行迭代求解；
[0021]
最终，获取最优波束赋形因子其中f
i*
表示第i根天线的最优波束赋形因子、控制器ris能量反射系数向量其中表示控制器ris第m个最优的能量反射因子、ris信号反射系数向量其中，表示控制器ris第m个最优的信息反射因子、时间分配因子其中，表示传输能量信号的最优时间因子，表示用户user传输信息信号的最优时间因子,过程如下：
[0022]
s3.1、初始化收敛容忍度ε、迭代变量k、波束赋形因子f＝[f1,f2,...,fi...,fn]、控制器ris能量反射系数向量e＝[e1,e2,...,em,...,em]
t
、控制器ris信号反射系数向量q＝[q1,q2,...,qm,...,qm]
t
和时间分配因子τ＝[τ0,τ1]
t
，获取k＝1时的初始值其中f
i(1)
表示第i根天线的k＝1次迭代值，表示第i根天线的k＝1次迭代值，表示控制器ris第m个能量反射元件的k＝1次迭代值，表示控制器ris第m个能量反射元件的k＝1次迭代值，表示控制器ris第m个信息反射元件的k＝1次迭代值，其中表示基的时间因子站传输能量信号的时间因子k＝1次迭代值，表示用户user传输信息信号k＝1次迭代值，计算出k＝1时用户收集到的功率其中表示k＝1向用户user传输的功率，p
sat
为用户user最大收集功率，从而计算出系统最大安全传输速率r
(1)
；
[0023]
s3.2、固定在第k＝1时ris能量反射系数向量e
(k)
、ris信息反射系数向量q
(k)
和时间分配因子τ
(k)
，令使用cvx工具包求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次波束赋形因子的最优解f
(k+1)
；
[0024]
s3.3、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
，固定f
(k+1)
,q
(k)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次ris能量反射系数向量的最优解e
(k+1)
；
[0025]
s3.4、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
和ris能量反射系数向量e
(k+1)
，固定f
(k+1)
,e
(k+1)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次ris信息反射系数向量的最优解q
(k+1)
；
[0026]
s3.5、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
,ris能量反射系数向量e
(k+1)
和ris信息反射系数向量q
(k+1)
,令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次时间分配因子的最优解τ
(k+1)
，计算出k+1时系统最大安全传输速率r
(k+1)
；
[0027]
s3.6、判断r
(k+1)-r
(k)
≤ε是否成立，若r
(k+1)-r
(k)
≤ε成立，则停止迭代，执行步骤s3.7；否则令τ
(k)
＝τ
(k+1)
,e
(k)
＝e
(k+1)
,q
(k)
＝q
(k+1)
,f
(k)
＝f
(k+1)
,k＝k+1返回步骤s3.2；
[0028]
s3.7、通过cvx求解，最终得到wpcn通信系统达到最大化安全速率时对应最优的f
*
、e
*
、q
*
和τ
*
。
[0029]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0030]
1、本发明在考虑电路硬件损耗和非线性能量收集模型的情形下，提出一种ris辅助的wpcn物理层安全通信方法。通过对波束赋形因子f、ris能量反射单元e与信息反射单元q和时间分配因子τ进行联合优化使得系统安全传输速率最大化。
[0031]
2、本发明利用wpcn技术解决传统网络能量受限问题节点以非线性能量收集模型进行能量收集，利用ris技术在物理层安全层面提高通信网络的安全性，在此基础上构建了一个非凸优化问题。通过将非凸多变量优化问题拆分成多个含有单一优化变量的凸子问题进行求解，实现简单，复杂性较低。
[0032]
3、本发明提出的方法，在考虑用户user能量收集受限和非线性能量收集情况的情况，通过对比传输功率和用户user最大接收功率的大小从而确定用户user在实际应用中真实收集功率，继而计算出更加符合实际的wpcn系统安全传输速率。
附图说明
[0033]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0034]
图1是本发明中ris辅助的wpcn通信系统模型示意图；
[0035]
图2是本发明中公开的ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法的实现流程图；
[0036]
图3是本发明获取系统安全传输速率的实现流程图；
[0037]
图4是本发明中公开的ris辅助的wpcn非线性与线性能量收集模型对比图；
[0038]
图5是本发明固定传输速率为p
max
＝30dbm时，在不同实施例下系统安全传输速率对比图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例公开一种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、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。
[0042]
本实施例中，具体参数设置如下：
[0043]
设定wpcn系统在三维坐标系中，位于(0m,0m,10m)处、控制器ris位于(5m,0m,10m)处、用户user位于(5m,2m,10m)和窃听端eve位于在以(2m,5m,10m)；配有n＝6根天线，最大传输功率p
max
＝30dbm，传输时隙t＝1，用户最大接收功率p
sat
＝10dbm；控制器ris配
备m＝32个反射元，收敛容忍度ε＝10-4
、噪声功率本实施例中的所有信道均为莱斯信道，信道模型为其中β表示莱斯因子，β110；g
los
表示视距无线传输部分，g
nlos
表示非视距无线传输部分；pl为路径损失，其计算公式为pl＝-30-10αlog
10
(d)，其中α为路径损失参数，d为链路的欧式距离，与控制器ris相关的路径损失参数α为2.2，到用户user和到窃听端eve的路径损失参数α为3.6。
[0044]
该物理层安全通信方法实现步骤如下：
[0045]
s1、在传输开始前，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发送训练信号；
[0046]
s2、根据接收的训练符号对wpcn系统上行合法信道进行估计，得到与控制器ris的信道信息与用户user的信道信息其中表示的第i根天线与控制器ris之间的信道信息，hi表示的第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与用户user的下行合法信道；
[0047]
s3、定义最大化系统安全传输速率的优化问题如下
[0048][0049]
s.t.c1:0≤τk≤1,k＝0,1
[0050]
c2:τ0+τ1＝1
[0051]
c3:||f||2≤p
max
[0052][0053][0054]
其中f＝[f1,f2,...,fn...,f6]是波束赋形因子，其中fi表示第i根天线的波束赋形因子，τ＝[τ0,τ1]
t
表示时间分配因子，其中τ0表示传输能量信号的时间因子，τ1表示用户user传输信息信号的时间因子，e＝[e1,e2,...,em,...,e
32
]
t
是控制器ris能量反射系数向量，其中q＝[q1,q2,...,qm,...,q
32
]
t
是ris信号反射系数向量，其中r＝[τ1(r
u-re)]
+
＝maxτ1(r
u-re),0表示wpcn系统的安全传输速率，其中ru＝log2(1+γu)表示接收到用户user的信息速率，表示信噪比，表示上行链路用户user向发送信息信号的总信道增益，表示用户user的噪声功率，表示下行链路向用户user发送能量信号的总信道增益，μr|huf|2表示收集电路本身的功率消耗，μr表示电路损耗因子；re＝log2(1+γe)表示用
户user被窃听端eve窃听到的信息速率，表示窃听端信噪比，表示窃听端eve窃听用户user发出信号的信道增益，表示窃听端eve的噪声功率；p
max
表示最大发送功率；p＝min|huf|2,p
sat
表示用户user接收功率，其中p
sat
表示用户user最大接收功率，|huf|2表示给用户传输的功率；约束条件c1和c2表示时间分配因子的可能取值；约束条件c3表示波束赋形因子f可能的取值；约束条件c4和c5分别表示em和qm可能的取值；
[0055]
s3.1、初始化收敛容忍度ε、迭代变量k、波束赋形因子f＝[f1,f2,...,fi...,f6]、控制器ris能量反射系数向量e＝[e1,e2,...,em,...,e
32
]
t
、控制器ris信号反射系数向量q＝[q1,q2,...,qm,...,q
32
]
t
和时间分配因子τ＝[τ0,τ1]
t
，获取k＝1时的初始值其中f
i(1)
表示第i根天线的k＝1次迭代值，其中表示控制器ris第m个能量反射元件的k＝1次迭代值，其中表示控制器ris第m个信息反射元件的k＝1次迭代值，其中表示传输能量信号的时间因子k＝1次迭代值，表示用户user传输信息信号的时间因子k＝1次迭代值，计算出k＝1时用户收集到的功率其中表示k＝1向用户user传输的功率，p
sat
为用户user最大收集功率，从而计算出系统最大安全传输速率r
(1)
；
[0056]
s3.2、固定在第k＝1时ris能量反射系数向量e
(k)
、ris信息反射系数向量q
(k)
和时间分配因子τ
(k)
，令使用cvx工具包求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次波束赋形因子的最优解f
(k+1)
；
[0057]
s3.3、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
，固定f
(k+1)
,q
(k)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次ris能量反射系数向量的最优解e
(k+1)
；
[0058]
s3.4、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
和ris能量反射系数向量e
(k+1)
，固定f
(k+1)
,e
(k+1)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次ris信息反射系数向量的最优解q
(k+1)
；
[0059]
s3.5、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
,ris能量反射系数向量e
(k+1)
和ris信息反射系数向量q
(k+1)
,令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次时间分配因子的最优解τ
(k+1)
，计算出k+1时系统最大安全传输速率r
(k+1)
；
[0060]
s3.6、判断r
(k+1)-r
(k)
≤ε是否成立，若r
(k+1)-r
(k)
≤ε成立，则停止迭代，执行步骤s3.7；否则令τ
(k)
＝τ
(k+1)
,e
(k)
＝e
(k+1)
,q
(k)
＝q
(k+1)
,f
(k)
＝f
(k+1)
,k＝k+1返回步骤s3.2；
[0061]
s3.7、通过cvx求解，最终得到wpcn通信系统达到最大化安全速率时对应最优的f
*
、e
*
、q
*
和τ
*
。
[0062]
图4是ris辅助的wpcn非线性与线性能量收集模型对比图；从图中可以看出，在实施例1所表示的曲线中，随着的发功率率逐渐增大，wpcn系统的安全传输速率也逐渐增大最后趋于平缓，说明的发射功率对wpcn系统的安全传输速率有影响，但是当的发射功率超过某一界限wpcn系统的安全传输速率将不受功率影响。
[0063]
实施例2
[0064]
本实施例公开一种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、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。
[0065]
本实施例中，具体参数设置如下：
[0066]
设定wpcn系统在三维坐标系中，位于(0m,0m,10m)处、控制器ris位于(5m,0m,10m)处、用户user位于(5m,2m,10m)和窃听端eve位于在以(2m,5m,10m)；配有n＝6根天线，最大传输功率p
max
＝30dbm，传输时隙t＝1，用户最大接收功率p
sat
＝10dbm；控制器ris配备m＝16个反射元，收敛容忍度ε＝10-4
、噪声功率本实施例中的所有信道均为莱斯信道，信道模型为其中β表示莱斯因子，β110；g
los
表示视距无线传输部分，g
nlos
表示非视距无线传输部分；pl为路径损失，其计算公式为pl＝-30-10αlog
10
(d)，其中α为路径损失参数，d为链路的欧式距离，与控制器ris相关的路径损失参数α为2.2，到用户user和到窃听端eve的路径损失参数α为3.6。
[0067]
该物理层安全通信方法实现步骤如下：
[0068]
s1、在传输开始前，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发送训练信号；
[0069]
s2、根据接收的训练符号对wpcn系统上行合法信道进行估计，得到与控制器ris的信道信息与用户user的信道信息其中表示的第i根天线与控制器ris之间的信道信息，hi表示的第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与用户user的下行合法信道；
[0070]
s3、定义最大化系统安全传输速率的优化问题如下
[0071][0072]
s.t.c1:0≤τk≤1,k＝0,1
[0073]
c2:τ0+τ1＝1
[0074]
c3:||f2≤p
max
[0075][0076][0077]
其中f＝[f1,f2,...,fn...,f6]是波束赋形因子，其中fi表示第i根天线的波束赋形因子，τ＝[τ0,τ1]
t
表示时间分配因子，其中τ0表示传输能量信号的时间因子，τ1表示用户user传输信息信号的时间因子，e＝[e1,e2,...,em,...,e
16
]
t
是控制器ris能量
反射系数向量，其中q＝[q1,q2,...,qm,...,q
16
]
t
是ris信号反射系数向量，其中r＝[τ1(r
u-re)]
+
＝maxτ1(r
u-re),0表示wpcn系统的安全传输速率，其中ru＝log2(1+γu)表示接收到用户user的信息速率，表示信噪比，表示上行链路用户user向发送信息信号的总信道增益，表示用户user的噪声功率，表示下行链路向用户user发送能量信号的总信道增益，μr|huf|2表示收集电路本身的功率消耗，μr表示电路损耗因子；re＝log2(1+γe)表示用户user被窃听端eve窃听到的信息速率，表示窃听端信噪比，表示窃听端eve窃听用户user发出信号的信道增益，表示窃听端eve的噪声功率；p
max
表示最大发送功率；p＝min|huf|2,p
sat
表示用户user接收功率，其中p
sat
表示用户user最大接收功率，|huf|2表示给用户传输的功率；约束条件c1和c2表示时间分配因子的可能取值；约束条件c3表示波束赋形因子f可能的取值；约束条件c4和c5表示em和qm可能的取值；
[0078]
s3.1、初始化收敛容忍度ε、迭代变量k、波束赋形因子f＝[f1,f2,...,fi...,f6]、控制器ris能量反射系数向量e＝[e1,e2,...,em,...,e
16
]
t
、控制器ris信号反射系数向量q＝[q1,q2,...,qm,...,q
16
]
t
和时间分配因子τ＝[τ0,τ1]
t
，获取k＝1时的初始值其中f
i(1)
表示第i根天线的k＝1次迭代值，其中表示控制器ris第m个能量反射元件的k＝1次迭代值，其中表示控制器ris第m个信息反射元件的k＝1次迭代值，其中表示传输能量信号的时间因子k＝1次迭代值，表示用户user传输信息信号的时间因子k＝1次迭代值，计算出k＝1时用户收集到的功率其中表示k＝1向用户user传输的功率，p
sat
为用户user最大收集功率，从而计算出系统最大安全传输速率r
(1)
；
[0079]
s3.2、固定在第k＝1时ris能量反射系数向量e
(k)
、ris信息反射系数向量q
(k)
和时间分配因子τ
(k)
，令使用cvx工具包求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次波束赋形因子的最优解f
(k+1)
；
[0080]
s3.3、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
，固定f
(k+1)
,q
(k)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题得到在第k+1次ris能量反射系数向量的最优解e
(k+1)
；
[0081]
s3.4、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
和ris能量反射系数向量e
(k+1)
，
固定f
(k+1)
,e
(k+1)
,τ
(k)
，令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次ris信息反射系数向量的最优解q
(k+1)
；
[0082]
s3.5、利用上述求得的第k+1次波束赋形因子f
(k+1)
,ris能量反射系数向量e
(k+1)
和ris信息反射系数向量q
(k+1)
,令使用凸优化工具包cvx求解步骤s3中优化问题得到在第k+1次时间分配因子的最优解τ
(k+1)
，计算出k+1时系统最大安全传输速率r
(k+1)
；
[0083]
s3.6、判断r
(k+1)-r
(k)
≤ε是否成立，若r
(k+1)-r
(k)
≤ε成立，则停止迭代，执行步骤s3.7；否则令τ
(k)
＝τ
(k+1)
,e
(k)
＝e
(k+1)
,q
(k)
＝q
(k+1)
,f
(k)
＝f
(k+1)
,k＝k+1返回步骤s3.2；
[0084]
s3.7、通过cvx求解，最终得到wpcn通信系统达到最大化安全速率时对应最优的f
*
,e
*
,q
*
和τ
*
。
[0085]
图5是本发明固定传输速率为p
max
＝30dbm时，在不同实施例下系统安全传输速率对比图；从图中可以看出当的最大发射功率固定时，wpcn系统的安全传输速率随着迭代次数增加而逐渐增加最终趋于平缓，说明本发明所提出方法是可收敛的，从图中可以看出在迭代6次左右，wpcn系统的安全传输速率就已经平缓，说明本发明提出的方法收敛速度是较快的。
[0086]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
