一种基于RIS的空-地隐蔽通信方法

本发明涉及一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，属于空-地隐蔽通信信号处理领域。

背景技术：

1、卫星通信系统(satellite communications system，scs)以其更高的速率、更全面的覆盖、更低的能耗、更健壮的性能和更高的频谱利用率，被视为下一代无线通信网络不可或缺的组成部分。卫星通信作为联通的生命线，在国防安全和社会保障等重大应用中发挥着重要作用，实现高可靠的隐蔽通信势在必行。然而，由于卫星波束的广泛覆盖和无线通信的开放性，scs不可避免地存在的安全风险。隐蔽通信技术是保证scs安全的一种很有前途的方法。一般来说，卫星隐蔽通信有三个主要特点:1)能见度较低；2)背景复杂，即宿主系统具有不同的系统，信号的时频特性不同；3)信干扰比较低。此外，由于scs覆盖范围有限，一些室内和闭塞区域没有直接路径，然后在这种情况下隐蔽通信需要改进。可重构智能表面(ris)技术是一种很有发展前景的技术，它由大量低成本的无源粒子反射元件组成，可以改变电磁波的相位、极化和方向等特性，从而提高无线通信的质量。该方法具有成本低、能耗低、不需要进行ris间干扰管理、信号补充和增强有效等优点。此外，ris适用于多个频段，可以有效地在不同频率之间切换。此外，ris可以很容易地涂覆在建筑物的立面上，以满足scs隐蔽通信布局的要求。因此，ris在与隐蔽通信相结合的领域具有特定的应用基础。在ris的帮助下，可以显著提高安全通信速率，即物理层安全性。在全局信道状态信息(csi)和无监控器的瞬时信道状态信息(瞬时信道状态信息)的情况下，在隐蔽通信中部署ris所获得的性能增益得到了。结果表明，即使是单天线发射机，在ris的帮助下也可以实现完美的隐藏，而没有ris是不可能实现的。ris被放置在窃听者附近，使用统计csi来快速抵消接收到的信号强度。此外，在ris的帮助下，可以引入人工噪声来抑制窃听者的信号强度。近年来，一些学者开始研究基于ris的卫星通信。例如，设计和研究基于ris的通信系统，实现地、空、星、海、水下节点的无缝集成，加速实现无所不在的连接。然而，很少有人考虑多用户传输系统的最优隐蔽及其隐蔽通信性能。

技术实现思路

1、针对现有空-地隐蔽通信存在的下述技术缺陷：(一)多用户网络构建及资源约束环境下多用户协同优化的问题；(二)基于ris的隐蔽通信系统中计算复杂度较高和资源利用率较差。本发明的主要目的是提供一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，在由单天线发射机alice、多个接收器bob和一个接收器willie组成的多用户空-地隐蔽通信系统中增加ris模块，卫星alice通过直接和ris反射链路将其信息传输到多个地面接收器bobs。为了保证在不检测willie的情况下，在卫星实际功率约束下实现卫星通信，通过充分考虑scs的特点，以最大限度地提高隐蔽传输的传输速率为优化目标，以卫星发射功率约束、ris相位和幅值约束、接收机bobs的最小接收功率限制和willie的接收功率限制为约束条件，联合优化alice的分类器和每个ris元素的相位，以提高隐蔽通信的性能。本发明具有如下主要优点：(一)基于ris的空-地隐蔽通信系统隐藏单天线alice的非零发射功率(即willie接收处的判断精度低于某预定值)。willie检测到的信号的总检测错误率高于保证隐蔽通信所需的总检测错误率。(二)通过制定最大最小速率优化问题，对所考虑的基于ris的多用户卫星隐蔽通信的性能进行优化。由于该优化问题属于非凸优化问题，通过迭代优化算法分别优化卫星和ris的发射参数来实现隐蔽通信性能的最佳化。(三)针对非理想ris角度在实际情况下是离散的特性，采用聚类分组方法对用户进行分类和重组来调整ris参数，以保证隐蔽通信性能的同时提高基于ris的空-地隐蔽通信系统效率。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，包括如下步骤：

4、步骤一，构建基于ris的空-地隐蔽通信系统，所述系统主要由卫星alice、ris、bob和willie组成，卫星alice通过直接和ris反射链路将其信息传输到多个地面接收器bobs。单天线发射机alice用于发射信号；ris用于反射信号；bob和willie共同接收通过alice发射及ris反射的信号。其中，通过willie检测alice是否正在发送有用信号。alice配备na个天线，bobs和willie配备单天线，而ris配有nr个无源反射元件。其中：na、nr为正整数。

5、步骤二：单天线发射机alice通过无线通信发射广播信号，调制基带信号到载波信号上。xp是alice通过第p通道传输到地面接收器的信号。

6、在p通道上第k个bob处接收到的信号为

7、

8、其中，pa代表alice的发射功率，是bob接受到的噪声。h0是alice没有向bobs传输信号的时间段，h1是alice向bobs传输信号的时间段。

9、所述信号为导频信号，导频与每个接收机接收的信号有固定对应关系。

10、bob接收机接收alice发送广播信号和通过ris反射的信号，willie接收机通过检测接收到的信号来构建二元假设模型并确定alice是否发送信号，即通过二元假设模型使willie对于发射机alice发送信号的检测概率低于固定值。

11、步骤三：bob接收步骤二发送的信号，willie接收机通过检测接收到的信号来构建二元假设模型并确定alice是否发送信号，即通过二元假设模型使willie对于发射机alice发送信号的检测概率低于固定值。使willie对于发射机alice发送信号的检测概率低于固定值在整体优化问题中作为约束条件。

12、在willie接收到的信号表示为

13、

14、其中，是willie接受到的噪声。

15、作为优选，约束条件选用聚类处理，降低约束条件复杂度。

16、步骤四，针对基于ris的空-地隐蔽通信系统，以最大化最小隐蔽速率为目标，约束条件包括alice发射功率约束cr1、ris恒模约束cr2和确保隐蔽通信的p通道上的kl散度约束cr3，构建ris的空-地隐蔽通信系统优化问题。通过以最大化最小隐蔽速率为目标，保证空-地隐蔽通信系统中的最差接收机bob也能得到最大信噪比，进而使空-地隐蔽通信系统在保证隐蔽通信的情况下每个接收机bob均能够实现有效接收。通过alice发射功率约束cr1保证信号发射机的有效发射，通过ris恒模约束cr2保证信号的反射；通过隐蔽通信约束cr3在存在噪声不确定性的情况下仍能够保证所述空-地隐蔽通信系统实现隐蔽通信。

17、为了保证所考虑的scs的有效传输，当alice和ris的资源有限时，将优化bob的隐蔽速率。将在考虑卫星发射功率约束、ris的恒模约束和保证隐蔽通信的情况下，构建最大化最小隐蔽速率的极大极小问题。对alice的发射功率和ris的反射振幅和相移进行联合优化，构建如公式(3)所述空-地隐蔽通信系统优化问题。

18、

19、其中，cr1为最大发射功率约束，pmax为alice处的最大发射功率。cr2是ris约束，cr3是确保隐蔽通信的约束。

20、步骤五：ris是非理想的，ris角度在实际情况中是离散的。在步骤四所述ris的空-地隐蔽通信系统优化问题构建和求解过程中，综合考虑ris的连续阶段和离散阶段。在理想连续相位情况下，采用主成分分析(pca)或高斯随机化算法优化求解。此外，对于非理想离散相位的情况，引入分支定界法优化求解。由于空-地隐蔽通信系统优化问题属于非凸优化问题，通过迭代优化算法分别优化卫星和ris的发射参数，对用户进行分类和重组来调整ris参数，以保证隐蔽通信性能，实现隐蔽通信性能的最佳化，进而提高空-地隐蔽通信系统优化效率，提升空-地隐蔽通信系统的实时性，确保空-地隐蔽通信系统存在噪声不确定性的情况下仍能够可靠隐蔽通信。

21、利用优化迭代的方法，通过公式(4)(5)分别优化卫星和ris的发射参数。

22、

23、其中，为最小值。

24、

25、其中，bi表示第i个bob。

26、对于相位离散情况，步骤五实现方法为：输入w(0),设置外部迭代次数iout＝0，大于0且足够小的外部优化精度∈out(或最大外部迭代次数nout)，大于0且足够小的内部优化精度∈in(或最大内部迭代次数nin)，初始迭代指数tin＝0。重复以下外循环：

27、令iout＝iout+1，并设外部迭代次数tin＝0，再重复以下内循环：

28、根据更新和(g是(4)的满足卡罗需-库恩-塔克条件的解)。其次令再在问题(5)的理想ris下求得参数ωy的值。然后设上界为满足问题(5)所有约束的解，下界为ωy。最后重复以下循环：使用回溯法遍历搜索树，更新上界和下界，直到当前解的下界超过上界则跳出循环，并令tin＝tin+1。直到时，结束内循环。

29、根据(4)更新并通过排序方法更新直到时，结束外循环并输出最优的{w,pa,rp}。

30、对于相位连续情况，步骤五实现方法为：输入w(0),设置外部迭代次数iout＝0，大于0且足够小的外部优化精度∈out(或最大外部迭代次数nout)，设置大于0且足够小的内部优化精度∈in(或最大内部迭代次数nin)，并设置初始迭代指数tin＝0。重复以下外循环：

31、令iout＝iout+1，并设外部迭代次数tin＝0。重复以下内循环：

32、根据更新和(g是(4)的满足卡罗需-库恩-塔克条件的解)。令用卡罗需-库恩-塔克条件解决问题(5)并测试w的秩。如果满足条件rank(w)＝1则跳出内循环，否则用高斯随机化获取(5)最终的最优解并令tin＝tin+1，继续下一次内循环，直到时，结束内循环。

33、根据(4)更新并通过排序方法更新直到时，结束外循环且输出最优的{w,pa,rp}。其中：w是ris的反射矩阵，pa是满足发射功率限制的波束成形数据，rp是用于衡量通信质量的信噪比，c是rp表达式的分子。

34、作为优选，采用聚类方法求解ris辅助的scs问题。由于最大最小问题，对于初步信息的情况，bob分为两类：一个是对应于最小值不可能性的接收机集合c1，另一个是由情况确定的集合c2。区分两种b1的条件是在信道取值范围内是否存在snrb1小于snrb2的另一个接收机b2。只添加一个决策步骤，在随后的最小值比较中仅需要考虑聚类c2内的bobs，进一步降低计算复杂度。通过两阶段算法来平衡隐蔽传输性能和计算复杂度，首先对发射功率pa进行优化，以低复杂度获得最优参数，然后对ris参数进行优化，即通过独立于其它矩阵优化ris反射矩阵。所述两阶段算法不需要双循环，因此复杂度显著降低。

35、简化后的两阶段优化算法实现方法为：

36、首先输入w(0),设置大于0且足够小的内部优化精度∈in、或最大内部迭代次数nin，设置初始迭代指数tin＝0。然后更新nk，根据聚类方法更新k，根据(4)更新pa，再重复以下循环：

37、根据更新和(g是(4)的满足卡罗需-库恩-塔克条件的解)，再令集合其中n是上一步中获得的角度的舍入的值。是使(5)给出的问题最小化的角。然后令tin＝tin+1。直到时，结束该循环。最后更新rp，输出最优的{w,pa,rp}。

38、有益效果：

39、1、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，针对基于ris的空-地隐蔽通信系统，以最大化最小隐蔽速率为目标，约束条件包括alice发射功率约束cr1、ris恒模约束cr2和确保隐蔽通信的p通道上的kl散度约束cr3，构建ris的空-地隐蔽通信系统优化问题。通过以最大化最小隐蔽速率为目标，保证空-地隐蔽通信系统中的最差接收机bob也能得到最大信噪比，进而使空-地隐蔽通信系统在保证隐蔽通信的情况下每个接收机bob均能够实现有效接收。通过alice发射功率约束cr1保证信号发射机的有效发射，通过ris恒模约束cr2保证信号的反射；通过隐蔽通信约束cr3在存在噪声不确定性的情况下仍能够保证所述空-地隐蔽通信系统实现隐蔽通信。

40、2、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，联合设计alice的分类器和每个ris元素的相位来提高隐蔽通信的性能，即通过所提出的优化算法来最大化传输速率；在相同条件下，ris的空-地隐蔽通信系统的隐蔽性能优于无ris辅助通信系统。

41、3、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，willie接收机通过检测接收到的信号来构建二元假设模型并确定alice是否发送信号，即通过二元假设模型使willie对于发射机alice发送信号的检测概率低于固定值，使willie检测到的信号的总检测错误率高于保证隐蔽通信所需的总检测错误率。

42、4、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，在ris的空-地隐蔽通信系统优化问题构建和求解过程中，综合考虑ris的连续阶段和离散阶段。在理想连续相位情况下，采用主成分分析(pca)或高斯随机化算法优化求解。此外，对于非理想离散相位的情况，引入分支定界法优化求解。由于空-地隐蔽通信系统优化问题属于非凸优化问题，通过迭代优化算法分别优化卫星和ris的发射参数，对用户进行分类和重组来调整ris参数，以保证隐蔽通信性能，实现隐蔽通信性能的最佳化，进而提高空-地隐蔽通信系统优化效率，提升空-地隐蔽通信系统的实时性。

43、5、本发明公开的一种基于ris的空-地隐蔽通信方法，通过两阶段算法来平衡隐蔽传输性能和计算复杂度，首先对发射功率pa进行优化，以低复杂度获得最优参数，然后对ris参数进行优化。所述两阶段算法不需要双循环，因此复杂度显著降低。