异构携能网络中基于RIS的抗多窃听者的信息安全传输方法

本技术涉及通信技术，特别涉及异构携能网络中基于ris的抗多窃听者的信息安全传输方法。

背景技术：

1、作为在5g时代备受关注的一种网络体系结构，异构网络通过在传统宏蜂窝基站(macrocell basestation,mbs)的覆盖区域内叠加部署低功率的微蜂窝基站(femtocellbasestation,fbs)可显著提升网络整体容量及频谱利用率。同时，其多层次的组网结构、丰富的层间干扰资源也为融合应用无线携能通信技术(simultaneous wirelessinformation and powertransfer,swipt)提供了机会。然而，相较于传统蜂窝网络，异构携能通信网络的架构更加开放，服务的用户类型更加多样，网络节点间干扰更加复杂，因而使得窃听者(eavesdropper,eve)更易混入其中获取用户的私密信息。幸运的是，近年来出现的物理层安全技术从利用无线信道的唯一性、时变性等物理特性角度出发探索保证无线信息的安全传输，为保障异构携能通信网络安全提供了新思路。

2、然而，现有保障异构携能通信网络中信息安全传输的方法大多时候依赖于不可控的无线环境变量，使得系统安全性能的提升空间受限。同时，当网络中存在多个窃听者开展联合窃听时，信息被窃听的“攻击面”增大、泄漏风险增加，系统的安全性能会受到进一步威胁。此时，如果能对无线信道进行主动调控和设计，将给系统安全性能的提升带来新的增益。基于该思路，借助ris重构无线信道的物理特性，实现对合法用户构造接收性能增强发送信号而对窃听者构建接收性能抑制信号，有望达到进一步提升系统安全性能的目的。因此，在多个窃听者展开联合窃听情形，借助ris及物理层安全技术解决异构携能通信网络中的信息安全传输问题，提出一种信息安全传输方法，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本技术提供了异构携能网络中基于ris的抗多窃听者的信息安全传输方法，可用于解决多个窃听者展开联合窃听情形造成信息传输威胁的技术问题。

2、本技术提供异构携能网络中基于ris的抗多窃听者的信息安全传输方法，方法包括：

3、步骤1，网络中的每个基站采用分阶段探测的方法分别获取覆盖区域内服务用户的信道状态信息(channel state information,csi)和经过ris的反射级联链路csi；其中，基站包含宏基站、微基站；

4、步骤2，微基站将获取的本地用户及经过ris的反射级联链路csi通过x2接口发送给宏基站；

5、步骤3，宏基站获取网络中所有链路的csi，以整个网络的安全速率最大化为目标联合确定宏基站和微基站下行发送波束成形、人工噪声矢量以及riss的相移系数；

6、步骤4，宏基站将微基站的最优下行发送波束成形、人工噪声矢量及ris相移系数通过x2接口发送给微基站；

7、步骤5，宏基站与微基站分别通过无线控制链路将相移系数下发给riss；

8、步骤6，每个基站根据获得的下行发送波束成形和人工噪声矢量进行下行信号的发送，riss根据获取的相移系数调整反射单位相位。

9、进一步地，步骤3，宏基站获取网络中所有链路的csi，以整个网络的安全速率最大化为目标联合确定宏基站和微基站下行发送波束成形、人工噪声矢量以及riss的相移系数，包括：

10、步骤3.1，设定起始迭代计数l＝0，最大迭代次数l，及起始可行参数起始可行参数其中分别为ris-1、ris-2的反射单元相移值；

11、为第二个智能超表面ris-2上第j个反射单元反射系数，l2为ris-2上的反射单元数量。

12、步骤3.2，重复进行以下过程，直至迭代收敛或达到最大迭代次数l，包括：

13、步骤3.2.1，给定第l-1次迭代时ris-1、ris-2的反射单元相移值和求解波束成形和人工噪声矢量设计问题获得相应解f(l)，z(l)，其中f(l)，z(l)分别为mbs、fbs上用于发送有用信号和人工噪声信号的发送权值；

14、步骤3.2.2，给定mbs、fbs上用于发送有用信号和人工噪声信号的发送权值，在满足设定的约束条件的前提下，确定

15、步骤3.2.3，迭代计数器更新，令l＝l+1进入下一次迭代求解过程；

16、步骤3.3，迭代收敛或达到最大迭代次数l，输出最优的下行波束成形、人工噪声矢量以及riss的相移系数和最优的系统安全速率目标值。

17、进一步地，给定第l-1次迭代时ris-1、ris-2的反射单元相移值和求解波束成形和人工噪声矢量设计问题获得相应解f(l)，z(l)，包括：

18、步骤3.2.1.1，设定起始迭代计数n＝0，最大迭代次数n，及起始可行参数

19、步骤3.2.1.2，重复进行以下过程，直至迭代收敛或达到最大迭代次数n：

20、求解第n次迭代中的波束成形和人工噪声联合设计问题获取相关最优解参数

21、迭代计数器更新，令n＝n+1；

22、更新

23、步骤3.2.1.3，迭代收敛或达到最大迭代次数n，输出最优的下行波束成形、人工噪声矢量f(l)，z(l)。

24、进一步地，步骤3.2.1.2中求解第n次迭代中的波束成形和人工噪声联合设计问题获取相关最优解参数包括：

25、宏基站根据宏基站天线数nm、微基站天线数nf、整个系统总发送功率限制pth、宏基站用户数目m、微基站能量采集用户数目k、ris-1和ris-2的反射单元数量l1和l2以及上一次迭代获取的和在满足约束条件的前提下确定此次迭代最优的下行发送波束成形及人工噪声矢量f(l)，z(l)，其中{wd,z}分别为宏基站、微基站的下行发送波束及人工噪声矩阵；

26、约束条件如下：

27、

28、

29、

30、

31、

32、x3-x4≤u  (1f)

33、

34、τ0≤1+γ1  (1i)

35、||2+c/2q-1,1-τ1||2≤1+τ1  (1j)

36、‖5/3+c/2q-1,1-τ2‖2≤1+τ2  (1k)

37、‖2τ1,1-τ3‖2≤1+τ3  (1l)

38、τ2+τ3/24+19/72≤τ4  (1m)

39、||[2τj-1,1-τj]||2≤1+τj,j∈{5,…,q+3}  (1n)

40、||2τq+3,1-τ0||2≤1+τ0  (1o)

41、

42、

43、τ'0≤1+γ'1  (1r)

44、||2+c'/2q'-1,1-τ'1||≤1+τ'1  (1s)

45、||5/3+c'/2q'-1,1-τ'2||2≤1+τ'2  (1t)

46、||2τ'1,1-τ'3||2≤1+τ'3  (1u)

47、τ'2+τ'3/24+19/72≤τ'4  (1v)

48、||2τ'j-1,1-τ'j-1||2≤1+τ'j,j∈{5,…,q'+3}  (1w)

49、||2τ'q'+3,1-τ'0||2≤1+τ'0  (1x)

50、wm≥0,wd≥0,z≥0,f≥0  (1y)

51、其中，(1c)、(1d)、(1e)分别为宏基站用户的下行服务质量约束、微基站能量采集用户的能量采集约束以及系统总发送功率约束；(1f)至(1n)、(1o)至(1w)分别为对多个联合窃听者的等效接收信干噪比的最高门限限制以及被窃听微基站用户的下行接收信干噪比的最低门限限制；τj、τ'j为引入的松弛变量，因子q为迭代逼近精度；

52、其中，csi为基站直接至用户的信道矢量或矩阵，经过ris的反射级联链路csi为基站至ris至用户的等效信道矢量或矩阵，mbs到ris-1，mum，ir，erk的信道矢量分别表示为和fbs到mum，ris-2，ir和erk的信道矢量分别表示为和ris-1到mum，ir和erk的反射信道矢量分别表示为和ris-2到mum，ir和erk的信道矢量分别表示为和j∈{um,d,ek}以及其中

53、进一步地，确定满足以下约束条件：

54、

55、

56、

57、

58、

59、

60、

61、

62、

63、

64、

65、x3[n]-x4≥u  (2l)

66、其中，(2b)为关于的秩为1约束；(2c)、(2d)、(2e)分别为宏基站用户的下行服务质量约束、微基站能量采集用户的能量采集约束以及系统总发送功率约束；(2g)至(2h)、(2j)至(2k)分别为对被窃听微基站用户的下行接收信干噪比的最低门限限制以及对多个联合窃听者的等效接收信干噪比的最高门限限制；x1、x2、x3、x4、z′、u′为引入的辅助变量。

67、结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，

68、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

69、1、本技术将异构网络与无线携能通信技术结合，基于协作波束成形、人工干扰以及利用ris辅助主动调控设计无线信道环境，提升系统安全性与可靠性。

70、2、本技术考虑网络中存在多个联合窃听者情形，提出一种可以对抗联合窃听的安全传输方法，具有很好的安全性。

71、3、本技术基于对窃听者联合窃听和基站服务多用户的假设，具有很强的适应性和实用性。