技术特征：
1.一种ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法，其特征在于，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基站、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：s1、在传输开始前，基站向包括用户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基站发送训练信号；s2、基站根据接收的训练符号对wpcn系统上行合法信道进行估计，得到基站与控制器ris的信道信息基站与用户user的信道信息其中表示基站的第i根天线与控制器ris之间的信道信息，h
i
表示基站的第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基站与用户user的下行合法信道；s3、定义最大化系统安全传输速率的优化问题如下p1:s.t.c1:0≤τ
k
≤1,k＝0,1c2:τ0+τ1＝1c3:||f||2≤p
max
c4:|e
m
|2＝1,c5:|q
m
|2＝1,式中f＝[f1,f2,...,f
i
...,f
n
]表示基站波束赋形因子，f
i
表示基站第i根天线的波束赋形因子，τ＝[τ0,τ1]
t
表示时间分配因子，τ0表示基站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,...,e
m
,...,e
m
]
t
表示控制器ris能量反射系数向量，|e
m
|2＝1,q＝[q1,q2,...,q
m
,...,q
m
]
t
表示控制器ris信号反射系数向量，|q
m
|2＝1,r＝[τ1(r
u-r
e
)]
+
＝maxτ1(r
u-r
e
),0表示wpcn系统的安全传输速率，r
u
＝log2(1+γ
u
)表示基站接收到用户user的信息速率，表示信噪比，表示上行链路用户user向基站发送信息信号的总信道增益，表示用户user的噪声功率，表示下行链路基站向用户user发送能量信号的总信道增益，μ
r
|h
u
f|2表示收集电路本身的功率消耗，μ
r
表示电路损耗因子；r
e
＝log2(1+γ
e
)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
表示基站最大发送功率；p＝min|h
u
f|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，|h
u
f|2表示基站给用户传输的功率；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表示基站波束赋形因子f可能的取值；约束条件c4和c5分别表示e
m
和q
m
可能的取值；
s4、基站生成信号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，利用基站波束赋形因子f，对信号s进行波束成形，基站向用户user传输的能量信号为y
u
＝(f
·
s)。2.根据权利要求1所述的一种ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法，其特征在于，所述物理层安全通信方法中，通过发送训练信号进行信道估计的方法继续获取控制器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3.根据权利要求1所述的一种ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法，其特征在于，所述物理层安全通信方法中，利用凸优化工具包cvx对步骤s3中最大化系统安全传输速率的优化问题进行求解，获取最优基站波束赋形因子其中f
i*
表示基站第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，表示基站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。4.根据权利要求1所述的一种ris辅助的wpcn系统物理层安全通信方法，其特征在于，所述步骤s3过程如下：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,...,f
i
...,f
n
]、控制器ris能量反射系数向量e＝[e1,e2,...,e
m
,...,e
m
]
t
、控制器ris信号反射系数向量q＝[q1,q2,...,q
m
,...,q
m
]
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)
表示基站第i根天线的k＝1次迭代值，表示基站第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基站向用户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)
；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)
；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)
；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求解所述优化问题得到在第k+1次ris信息反射系数向量的最优解q
(k+1)
；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求解所述优化问题得到在第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)
；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；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
*
。
技术总结
本发明公开了一种RIS辅助的WPCN系统物理层安全通信方法，该方法通过采用RIS辅助和WPCN无线供能技术，可实现WPCN系统的安全通信和终端的无限能量补充。该通信方法包括以下步骤：S1:构建RIS辅助的WPCN系统网络模型；S2:确定模型优化的原问题，在充分考虑非线性能量收集模型的情形下，建立以最大化系统安全传输速率为目标的优化问题；S3:简化所述原问题，通过采用AO、SCA和SDR方法将原问题转化为若干凸子问题；S4:建立迭代算法，通过所述迭代算法对所述若干子问题进行交替迭代求解从而得到最优基站波束赋形因子、RIS能量与信息反射系数、以及时间分配因子，实现系统安全传输速率最大化。化。化。
技术研发人员：冯义志 马帅飞 胡凯 宁更新 张军 季飞
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/22