1.不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全优化方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)构建通信系统模型,根据构建的系统模型得到合法用户与窃听用户处的信息传输速率,进而得到系统保密速率;
(2)以系统保密速率最大化为优化目标,构造在基站总发射功率和智能反射表面反射单元单位模约束下,对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量,以及智能反射表面的相移矩阵进行联合优化的数学模型;
(3)步骤(2)所述数学模型为非凸的优化问题,将其转化为求解两层优化问题,其中第1层优化问题的求解中包含第2层优化问题的求解;所述将非凸的优化问题转化为两层优化问题,具体包括:引入松弛变量,使目标函数中取最大值的部分转化为等价的无穷多个不等式约束,然后将这无穷多个约束变换为有限个不等式约束,再将转化后的问题变换为两层优化问题,两层优化问题中的第1层优化问题为:其中,β为引入的松弛变量, 为给定β下,
的最大值,而如何获得该最大值,就是两层优化问题中的第2层优化问题:s.t.C1:Tr(W1+W2)≤P,
C2:|Φn,n|=1,n=1,2,…,N,
C3: tk≥0,
C4:
式中, 和 tk为引入的变量,Tk(W1,W2,Φ ,β,tk)为IN×N表示
N×N维单位矩阵; 表示合法用户的噪声功率,P是基站的最大发射功率,基站与IRS、IRS与合法用户之间的信道系数矩阵或矢量分别记为HAR、 其中IRS的相移矩阵为Φ,Φn,n表示矩阵Φ中第n行第n列的值,N表示IRS的反射单元个数,w1、w2分别为信息信号、人工噪声的波束成形矢量, 表示基站获得的IRS与第k个窃听者间信道过时的信道系数矢量,εk表征基站对第k个窃听者的CSI的不确定度;
(4)第1层优化问题为单变量优化问题,利用一维搜索算法求解;
(5)将第2层优化问题分解为两个交替迭代优化的非凸子问题分别求解。
2.根据权利要求1所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全优化方法,其特征在于:步骤(1)所述系统模型由基站、IRS和K个用户组成,基站采用时分的方式轮流向这K个用户发送信息,发送给各用户的信息需要相互保密,基站配置M根天线,IRS包含N个反射单元,用户配置单根天线,基站与用户之间有障碍物遮挡,只能通过IRS的反射形成传输链路,所有信道均为准静态平坦衰落信道,将当前时刻基站发送信息的目标用户定义为合法用户,其他用户为窃听者。
3.根据权利要求1所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全优化方法,其特征在于:基站在向合法用户传输信息的过程中,拥有基站‑IRS和IRS‑合法用户信道的完美CSI,IRS‑窃听用户信道CSI则存在误差;采用有界CSI误差模型刻画信道CSI误差,即真实的信道系数矢量为拥有的估计信道系数矢量与一个随机误差之和:其中,hRE,k、 ΔhRE,k分别表示IRS与第k个窃听者间信道系数矢量、基站获得的IRS与第k个窃听者间信道过时的信道系数矢量,及其与当前真实信道系数矢量间的误差,εk表征基站对第k个窃听者的CSI的不确定度,间隔上次通信时间越长,相应的不确定度越大。
4.根据权利要求1或3所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全优化方法,其特征在于:步骤(1)所述合法用户与窃听用户处的信息传输速率通过以下方法计算:合法用户和第k个窃听者处的接收信号分别表示为式中,基站与IRS、IRS与合法用户、IRS与窃听者之间的信道系数矩阵或矢量分别记为HAR、其中 IRS的相移矩阵为其中An∈[0,1]、θn∈[0,2π]分别表示IRS第n个反射单元的反射幅度与反射相位,n=1,
2,…,N;nB、nE,k分别表示合法用户、第k个窃听者处的加性复高斯白噪声;x为基站的发送信号,表示为x=w1s+w2a
其中,s,a分别表示信息信号与人工噪声;w1、w2分别为信息信号、人工噪声的波束成形矢量;合法用户和第k个窃听者处的信息传输速率分别为所述系统保密速率为合法用户处的信息传输速率与所有窃听者的信息传输速率差值的最小值:
5.根据权利要求4所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全优化方法,其特征在于:步骤(2)所述优化数学模型在基站总发射功率和智能反射表面反射单元单位模约束下,以系统保密速率最大化为优化目标,优化问题构造为H H
s.t.C1:Tr(w1w1+w2w2)≤P,
C2:|Φn,n|=1,n=1,2,…,N.
其中, 表示在随机误差情况下,基站‑IRS‑窃听者之间的最大信息传输速率,其中, 表示真实IRS‑窃听者信道系数取值范围;两个约束条件分别是基站的最大发射功率约束和IRS反射幅度为1的约束;Φn,n表示矩阵Φ中第n行第n列的值,Tr(X)表示矩阵X的迹,P表示基站的最大发射功率。
6.根据权利要求1所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全方案的设计方法,其特征在于:步骤(3)所述求解两层优化问题具体方法为:设置初始迭代次(1) (i)数i=1,松弛变量β =1,β增加的步长δ,最优解 的集合Ω;将固定的β 代入到第2层(i)优化问题中求解得到最优解,此最优解即为固定β 对应的 将 并入集合Ω(i) (i)中;根据步长δ增加β 的大小后重复上述步骤,直到β 的数值超过其取值范围为止;从集opt合Ω中获取一个最优值β 使得 的取值在集合内最大, 即为系统最大保密速率。
7.根据权利要求5所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全方案的设计方法,其特征在于:步骤(5)所述将第2层优化问题分解为两个交替迭代优化的非凸子问题,在IRS相移矩阵Φ固定的情况下,第一个子问题为s.t.C1:Tr(W1+W2)≤P,
C2: tk≥0,
C3:
在W1、W2给定后,第二个子问题为
8.根据权利要求7所述不准确信道状态信息条件下智能反射表面辅助的物理层安全方案的设计方法,其特征在于:步骤(5)所述求解第2层优化问题交替迭代优化算法具体为:第(0) (m‑1)一次迭代时设置初始迭代次数m=0,Φ ,误差容忍度ζ;固定Φ=Φ ,求解第一个子问(m) (m) (m) (m)题,得到W1 与W2 ;给定W1=W1 与 求解第二个子问题,得到Φ ;将本次迭代得到的系统保密速率与上一次迭代得到的系统保密速率进行比较,判断迭代是否收敛,若未收敛则进行下一轮的迭代,否则结束迭代。