本发明涉及无线通信，具体地说是an增强ris辅助物理层安全通信鲁棒波束成形方法。
背景技术：
1、6g无线通信网络提供更高的传输速率、更低的延迟以及更可靠的传输方案，但无线信道固有的广播性质会导致无线通信系统存在巨大窃听风险。物理层层面的安全通信方案设计来实现可靠的信息传输，一般是基于合法信道的的可达速率优于窃听信道的可达速率，即系统可以获得非零安全传输速率的能力，合法信道相对于窃听信道的质量优势越大，则系统的保密能力越高。
2、近年来，智能反射面（ris）在无线通信中的应用有助于解决这些问题，并在提升网络性能方面展现出巨大的潜力。ris是一种无源器件，没有射频单元和基带处理电路，仅反射无线信号。每个无源反射元件能够通过被动波束成形，独立的调整其反射元件的反射系数，从而动态调控入射信号的幅度和相移，实现对无线传播环境的智能控制，进而改变信号的传播环境，使其辅助不同场景下的无线通信系统，提高系统性能。在发射机与合法接收机之间的距离大于发射机与窃听者之间的距离，或者发射机与合法接收机之间的传输路径被障碍物阻挡，以及窃听者隐藏在合法接收机附近的情况下，无线通信系统的物理层安全性能通常较差。ris可以通过重构无线传播环境，增大合法用户和窃听者的信道差异性，在物理层提高系统的安全性能，具体来说就是ris反射的信号可以增强合法接收方接收到的信号，并削弱窃听方接收到的信号，所以ris作为一种新兴的无线通信技术,为改善物理层安全提供了新的解决方案。
3、虽然目前已经存在大量ris辅助安全通信的相关研究，但在已有的方案都存在一些缺陷，首先目前大部分文献通常假设基站（bs）和ris端都可以获得窃听者的完美信道状态信息（csi），以研究系统性能的理论上限。但由于ris的无源特性，不能发送或接收信号，因此很难在ris端获取完美csi，并且能否获得完美csi或csi是否存在误差，对安全方案的设计和性能都有很大的影响，甚至可能会使得ris产生负增益。所以将不完美csi纳入考虑范围势在必行，且基于bs- ris -窃听者级联信道发射端不完美csi的鲁棒传输设计，比以往只考虑不完美ris-窃听者信道的研究更具普适性，并且当误差由信道估计中的噪声引起时，csi误差采用统计csi误差模型来描述比有界误差模型更准确，此外，在以往物理层安全方案中利用人工噪声（an）来降低窃听者的信道质量已得到了广泛的研究，并且已经成为实现物理层安全的常用解决方案，所以目前的ris辅助mimo系统安全通信的方案研究应考虑含an的场景，综上所述，在保证不完美csi系统鲁棒性的前提下推理合适的bs发射波束成形矢量，an波束成形矢量和ris反射波束成形矩阵联合优化方案，成为当前研究中一个亟待解决的难题。
4、本技术与现有技术相比技术区别如下；
5、与专利公开号为cn118264295a “一种star-ris辅助无线携能通信系统的鲁棒安全波束赋形方法” 的技术对比；
6、专利cn118264295a通过构建star-ris辅助的无线携能通信系统模型；通过联合设计发射波束形成矢量和star-ris的反射和透射系数来最小化发射机的发射功率，在信道状态信息不确定性的情况下，提出一种鲁棒安全波束赋形设计方法，采用交替优化框架释放耦合变量，在保证用户服务质量和鲁棒性的同时显著降低发射功率的功耗。而本发明是针对人工噪声与ris相结合辅助的无线通信系统，通过迭代优化基站发射波束成形矢量、an波束成形矢量和ris反射波束成形矩阵，实现了在不完美csi条件下对窃听者信道质量的有效干扰。此外本发明中的csi误差建模基于统计csi误差模型，比采用的信道状态信息误差有界不确定性假设更符合实际复杂环境，特别是更加适用于信道估计噪声引起的误差场景。本发明强化了算法在不完美csi条件下的鲁棒性，同时对物理层安全性能有着显著的提升。这些创新点使得本发明在无线通信技术领域分类领域具有显著的技术优势和应用潜力。
7、与专利公开号为cn114268350a “智能反射面辅助通信中非理想信道下的鲁棒波束赋形设计方法” 的技术对比
8、专利cn118264295a研究了ris辅助多用户毫米波系统中的加权和速率最大化问题，优化目标侧重于提升系统的频谱效率和通信性能，通过联合优化基站的发射波束形成、ris的布置和ris的反射波束形成，进行了迭代优化。基于惩罚和梯度投影的交替优化算法，以缓解不完美csi的影响造成的性能损失。而本专利关注提高系统的安全性，在满足安全速率服务质量的要求下，最小化基站发射功率，基于基站-ris-窃听者级联信道发射端的不完美csi情况，通过引入统计csi误差模型，针对物理层安全设计了鲁棒性优化方法，实现了安全速率中断概率约束下的鲁棒通信，尤其适用于物理层安全性要求高的场景。此外本发明结合了人工噪声和ris实现了安全速率中断概率约束下的鲁棒安全通信。针对窃听者干扰和不完美csi的综合优化方案，为安全通信提供了更强的保障。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供了an增强ris辅助物理层安全通信鲁棒波束成形方法，an波束成形矢量和ris反射波束成形矩阵,从而最小化系统的发射功率。
2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、an增强ris辅助物理层安全通信鲁棒波束成形方法，包括以下步骤：
4、步骤1，构建an增强ris辅助mimo系统安全通信的系统模型，并以最小化系统发射功率为目标，构建优化问题；
5、步骤2，引入不完美csi情况，构建基于bs- ris -窃听者级联信道发射端不完美csi信道模型的安全速率中断约束，即系统的鲁棒性约束，并基于bernstein型不等式逼近安全速率中断概率约束；
6、步骤3，在ao框架下，构建给定优化子问题和构建给定优化子问题，迭代优化bs发射波束成形矢量，an波束成形矢量和ris反射波束成形矩阵。
7、作为本发明进一步改进，步骤1中，构建an增强ris辅助mimo系统安全通信的系统模型，所构建的系统模型为：
8、；
9、其中，，，，分别表示bs到ris、bs到第 k个用户、bs到窃听者、ris到第 k个用户、ris到窃听者的信道，信道模型包含大尺度衰落和小尺度衰落，大尺度衰落模型表示为，其中为路径损耗指数，为链路距离，单位为米，小尺度衰落假设为瑞利衰落分布，传输信号表示为，其中表示bs波束形成矢量，表示an波束成形矢量，分别表示信息信号和an，表示ris的反射元件相移，和分别为用户和窃听者处的噪声，均值为零，方差为，用户和窃听者的可达速率分别表示为：
10、。
11、作为本发明进一步改进，步骤1中，以最小化系统发射功率为目标，构建优化问题，具体如下：
12、；
13、其中,表示系统所要求的用户可达速率的下界，表示系统所要求的窃听者可达速率的上界，表示系统所需满足的的中断概率要求系数。
14、作为本发明进一步改进，步骤2中，引入不完美csi情况，构建基于bs- ris -窃听者级联信道发射端不完美csi信道模型的安全速率中断约束，其中不完美csi信道模型的误差采用统计csi误差模型来描述：
15、；
16、其中表示第 k个窃听者的反射级联信道的估计信道，表示为第 k个窃听者的反射级联信道估计误差，每个csi误差向量遵循圆对称复高斯分布，即：；
17、式中，表示误差协方差矩阵。
18、作为本发明进一步改进，步骤2中，基于bernstein型不等式逼近安全速率中断概率约束，具体如下：
19、；
20、其中，为便于表示引入的，其中为引入的松弛变量，，其中 ，表示除第k个用户外，其他用户的波束成形矩阵，i表示单位矩阵。
21、作为本发明进一步改进，步骤3中，在ao框架下，构建给定优化子问题，具体如下：
22、；
23、其中，并且，并利用sdr将子问题转化为凸问题。
24、作为本发明进一步改进，步骤3中，构建给定优化子问题中引入松弛变量，具体如下，重新表述原可行性验证问题：
25、；
26、其中为引入的松弛变量，用来对原可行行验证问题进行转化，并且其中的。
27、有益效果：
28、1、增强鲁棒性：通过将系统安全速率中断概率纳入约束，并对信道估计误差选择合适的建模方案，提高了系统的鲁棒性，对无鲁棒优化方案以及基于有界csi误差模型方案进行对比，本方法鲁棒性更优，尤其是在信道误差不确定性程度更高的情况下，本方法有明显收益。
29、2、提高系统安全速率：ris与an共同参与系统安全性的设计，提高了系统的安全速率，同等功率条件下本方法比仅有an和仅有ris情况，安全速率更高。
30、3、降低信道不确定程度对系统性能的影响：对无鲁棒优化方案以及基于有界csi误差模型方案进行对比，在同等信道不确定程度情况下，为满足系统qos要求，本方法所需最小发射功率更低。
31、4.减少ris负增益风险：对无鲁棒优化方案以及基于有界csi误差模型方案进行对比，本方法能够更好的抑制信道误差所带来的影响，对于信道误差过高情况，本方法能够更好的减少ris负增益风险。