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专利号: 2021102618511
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于智能反射面的物联网隐蔽波束成形设计方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,建立隐蔽通信环境;

步骤2,在理想隐蔽约束条件下,进行隐蔽波束成形设计。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1包括:用Alice表示基站,Willie表示窃听者,Bob表示隐蔽用户,Alice将私有数据流xb发送给Bob,用 表示零假设,即Alice没有向Bob发送私有数据流;用 表示另一种假设,即Alice向Bob发送私有数据流;同时,Willie作为窃听者在观察通信环境,并尝试识别Alice是否正在向Bob传输;为保护机密信号不被窃听,采用带智能控制器的IRS智能反射面协助隐蔽传输。

3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1中,设定Alice配备了N根天线,Bob和Willie各有一条天线;令 表示信号xb的功率,xb为Alice给Bob发送的信号;使 其中, 表示复数矩阵的集合;hAB是一个N×1的复矩阵,是指Alice到Bob信道系数;hAW是一个N×1的复矩阵,是指Alice到Willie信道系数;hIB是一个M×1的复矩阵,是指IRS到Bob信道系数;hIW是一个M×1的复矩阵,是指IRS到Willie信道系数;

用 表示Alice到IRS的信道系数;

用 表示Alice向Bob发送信息的事件,用 表示Alice不向Bob发送信息的事件。

4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤1中,从Willie的角度来看,Alice的传输信号x如下:

其中wb为xb的发射波束形成向量;

设定Alice在 下不传输信号,且波束形成器wb在 下满足以下约束:2

||wb||≤Ptotal   (2)式中Ptotal为Alice的最大发射功率;

在IRS时相移矩阵Q由 给出,Q表示一个对角矩阵,其对角元素为向量的对应元素q;

使用 为IRS单位的反射建模,其中 qm表示第m个单位的反射建模,当m=1,…M时,θm∈[0,2π)和βm∈[0,1]分别表示第m个单位引入的可控相移和振幅反射系数;

设 以达到最大的反射功率增益,则q应满足:|qm|=1,m=1,…M   (3)在Bob处接收的信号yb写成:其中zb为Bob处的接收噪声; 表示Bob处的信号噪声zb服从均值为0方差为 的复高斯分布;hIB是从IRS到Bob的信道系数, 为hIB的共轭转置;hAB为Alice到Bob信道系数, 为hAB的共轭转置。

5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤1中,Willie收到的信号yw写成:其中zw是Willie处接收到的噪声, 表示Willie处接收到的噪声zw服从均值为0方差为 的复高斯分布;hIW是从IRS到Willie的信道系数, 为hIW的共轭转置;

hAW为Alice到Willie信道系数, 为hAW的共轭转置。

6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤1中,设定Rb是假设为 时Bob的瞬时速率,写成:

Willie在 和 下接收信号的似然函数分别表示为p0(yw)和p1(yw),根据式(5),p0(yw)和p1(yw)分别为:

其中 表示Willie的信号噪声zw的噪声方差,λ0和λ1表示辅助变量。

7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤1中,Willie希望通过应用最佳检测器来最小化检测错误概率ξ,设定:ξ=1‑VT(p0,p1)   (8)其中VT(p0,p1)是p0(yw)和p1(yw)之间的总变化,采用Pinsker不等式,得到:其中D(p0||p1)表示从p0(yw)到p1(yw)的KL发散,D(p1||p0)是从p1(yw)到p0(yw)的KL发散;

D(p0||p1)和D(p1||p0)分别为:dy表示对y求积分;

为了实现与给定ξ的隐式通信,即ξ≥1‑ε,似然函数的KL散度需要满足以下约束之一:2

D(p0||p1)≤2ε,    (11a)2

D(p1||p0)≤2ε    (11b)。

8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,步骤2包括:所述理想的隐蔽约束条件下是指:Willie是合法用户,并且想要获取Bob的个人信息,在这种情况下,Alice知道hIW和hAW频道的完整CSI信道状态信息,然后用完整信道信息状态帮助Bob避免Willie监视;

建立问题(12):

s.t.D(p0||p1)=0,    (12b)2

||wb||≤Ptotal,     (12c)为解决问题(12),问题(12)重新表述为以下等价形式的问题(13):2

||wb||≤Ptotal,     (13c)在这种情况下,需要迭代地解决以下两个子问题:修复wb优化q,然后修复q优化wb,具体如下两个子部分:

子问题1:用给定的q优化wb,如下所示:修复q,定义辅助变量 和 问题(13)重新表述为以下等效形式的问题(14):应用SDR半正定松弛技术来放宽问题(14),即, 忽略秩1的约束,得到问题(14)的宽松形式,即如下问题(15):H

s.t Tr(tWWbtW)=0,    (15b)Tr(Wb)≤Ptotal,     (15c)Wb≥0      (15d)设 表示问题(15)的最优解;由于松弛, 的秩可能不等于1,因此,如果是问题(15)的最优解,并且通过SVD奇异值分解得到最优波束形成器wb,即 否则,如果 采用高斯随机化过程来产生问题(15)的高质量秩

1的解;

子问题2:在给定wb条件下优化q,如下所示:问题(13)转换为以下问题(16):因为:

下面的等式成立:

其中 和

GB和GW在公式(20)和(21)中给出:将(18)(19)代入问题(16)中,改写为如下问题(22):其中Em是一个M+1维矩阵,Em中第(i,j)个元素记为[Em]i,j,满足:为了解决问题(22),采用SDR技术来克服非凸性,使用 并且去掉 的约束,将问题(22)重新表示为松弛形式,即问题(24):问题(24)是一个凸半正定规划问题,用内点法进行优化求解。