利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法

技术特征：

1.一种利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建适用于窃听者csi未知的ris辅助无线安全通信传输系统；所述系统包括一个有m根天线的基站、一个有n根天线的合法用户、一个有e根天线的窃听者、一个集成l个低功耗反射单元的ris；

(2)在ris辅助无线安全通信传输系统中，设置ris相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计csi，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；

(3)根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计csi，设计ris相移矩阵；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；

(5)根据合法用户发送功率计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。

2.根据权利要求1所述的利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，步骤(1)所述系统：

基站与合法用户以及窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，基站与合法用户以及窃听者之间分别只存在一条经过ris的反射路径，基站到ris、ris到合法用户的信道分别为：

其中，r0、r1表示接收天线的空间相关性矩阵，t0，t1表示发射天线的空间相关性矩阵，表示信道的确定性视距分量，x0、x1由信道的随机成分组成，r0，r1，t0，t1，分别是l×l，n×n，m×m，l×l，l×m，n×l的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计csi；x0，x1分别是l×m，n×l的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；表示矩阵的平方根；发送信号s是m×1的列向量，发送信号协方差矩阵q＝e{ss^h}；ris相移矩阵φ＝diag([q1,q2,…,ql]^t)是l×l的对角矩阵，是相移系数，θi∈[0，2π)表示ris对信号的调整角度。

3.根据权利要求1所述的利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)给定初始ris相移矩阵φ＝il，其中，il是l×l的单位矩阵；设计发送信号协方差矩阵：其中，f和λq是辅助变量，表达式如下：

其中，uf和λf是通过对f进行特征值分解得到的辅助变量，max{a，b}表示取a和b中较大的数，μ是使q^*满足tr(q^*)≤mpt的参数，tr(.)表示矩阵的迹，pt是基站的总发送功率，im是m×m的单位矩阵，是基于系统统计csi的等效信道参数，具体表达式如下：

其中，θ，ξ，ψ，π，γ都是辅助变量，具体表达式如下：

θ＝il+e1ψr0，

ξ＝σ²in+e2ri,

(22)令q＝q^*，更新等效信道参数

(23)重复步骤(21)、(22)直到合法用户可达速率收敛，得到最优发送信号协方差矩阵qopt＝q^*；

(24)设定功率上限p+，功率下限p-，取两者中值计算合法用户可达速率并与通信速率需求γ比较，如果那么p+＝pmid，否则p-＝pmid，直到时，得到最小的合法用户发送功率pmin＝pmid。

4.根据权利要求1所述的利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)计算系统速率对ris相移矩阵的梯度方向向量其中，是关于θi的导数；

(32)取步长α＝0.1；

(33)ris相移矩阵其中θ是由φ对角元素组成的列向量，diag(.)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，arg(.)表示括号中元素的辐角；

(34)令φ＝φ^*，更新等效信道参数

(35)重复步骤(31)至(34)直到合法用户可达速率收敛，得到最优ris相移矩阵φ^opt＝φ^*。

5.根据权利要求1所述的利用合法用户统计csi的ris辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)根据最小的合法用户发送功率pmin计算剩余功率pr＝pt-pmin；

(52)人工噪声的协方差矩阵：

其中，b1为合法用户的统计csi表达式，uan的列是b1的零特征值对应的所有m-rank(b1)个特征向量，rank(.)表示矩阵的秩，b1的具体表达式如下：

其中，r0表示接收天线的空间相关性矩阵，t0，t1表示发射天线的空间相关性矩阵，表示信道的确定性视距分量，r0，t0，t1，分别是l×l，m×m，l×l，l×m，n×l的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计csi，tr(.)表示矩阵的迹。

技术总结
本发明公开了一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，在RIS辅助大规模多输入多输出无线安全通信系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵；重复以上操作直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；最后，计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。本发明可以在仅知合法用户统计CSI、未知窃听者CSI的前提下，能有效降低系统开销，应用于实际通信场景中，且能有效避免人工噪声对合法用户的干扰，保证合法用户的通信质量，提高系统的安全速率。

技术研发人员：张军;许文婉;刘洁;王海荣;蔡曙
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2021.02.04
技术公布日：2021.06.15