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专利号: 2024104669390
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法,其特征在于,包括:在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中,获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益;

根据所述信道增益,计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率;

以保障合法用户端的安全速率为约束,联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数,构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题;

对优化问题进行求解,得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗;

所述双有源RIS辅助的PLS传输系统由一个配置M根发射天线的基站、一个单天线合法用户、一个单天线非法窃听节点、以及分别配置N1和N2个反射单元的有源RIS1和有源RIS2组成;

所述获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益包括:将合法用户和窃听节点的接收信号分别表示为:

H

其中,yU表示合法用户的接收信号,yE表示窃听节点的接收信号,() 表示共轭转置操作;

表示有源RIS1与合法用户之间的信道衰落向量;式中 表示x×y维的复值矩阵空间; 表示有源RIS1与非法窃听节点之间的信道衰落向量;

表示有源RIS2与合法用户之间的信道衰落向量; 表示有源RIS2与非法窃听节点之间的信道衰落向量; 表示基站与有源RIS1各反射单元之间的信道衰落矩阵;

表示有源RIS1与有源RIS2之间的信道衰落矩阵;

表示基站的波束成形向量; 分

别表示有源RIS1和有源RIS2的反射系数, 与 分别表示有源RISi的第ni个反射单元的振幅与相位,并且 j为虚数单位,diag()表示对角化操作;

2

s表示基站向合法用户和非法窃听节点发送的信息,其中E{|s|}=1,E{}表示取数学期望操作,表示对复数取模操作;n1,n2,nU和nE分别表示有源RIS1,RIS2,合法用户和非法窃听节点处的高斯白噪声,分别服从零均值和方差为 和 的复高斯分布,记作 和 式中i∈{1,2}、 表

示Ni×1维的零向量、 表示Ni维的单位矩阵;

所述计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率包括:根据合法用户和窃听节点的接收信号,将合法用户和窃听节点的传输速率分别表示为:其中,表示对向量取二范数操作;

合法用户端的安全速率为合法用户传输速率与非法窃听节点的传输速率之差;

所述PLS传输系统总功耗包括基站消耗功率、有源RIS1以及有源RIS2消耗的功率,其中有源RIS1和有源RIS2消耗的功率表示为:其中,F表示对矩阵取F范数操作,系统的总功率消耗表示为:其中, 和 和 分别表示有源RIS1、RIS2的每个反射单元电路功率消耗和直流偏置功率消耗;

所述构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题包括:通过联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数,最小化系统的总功率消耗,构建的优化问题如下:s.t.RU‑RE≥εmin(8a)

其中,RU‑RE≥εmin表示合法用户的PLS传输约束,εmin是合法用户端的最小安全速率门限;

所述对优化问题进行求解包括:

利用交替优化算法进行迭代求解,将(P0)问题分解成三个子问题:固定有源RIS1的反射系数Φ1和有源RIS2的反射系数Φ2,优化基站的波束成形向量ω,构建子问题(P1)如下:(P1)

s.t.(8a)(9)

通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束,将子问题(P1)转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,对于求解后的W,通过奇异值分解,恢复出优化后的基站的波束成形*向量ω ;

固定基站的波束成形向量ω和有源RIS2的反射系数Φ2,优化有源RIS的反射系数Φ1,构建子问题(P2)如下:(P2)

s.t.(8a)(10)

针对(P2)中关于Φ1非凸约束(8a),利用连续凸逼近方法,将其转化为凸约束;通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束,将子问题(P2)转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,将求解得到的V1通过奇异值分解,恢复出优化后的有源RIS反射系数固定基站的波束成形向量ω和有源RIS1的反射系数Φ1,优化有源RIS2的反射系数Φ2,构建子问题(P3)如下:(P3)

s.t.(8a)(11)

针对(P3)中关于Φ2非凸约束(8a),利用连续凸逼近方法将其转化为凸约束,通过半正定松弛算法松弛非凸秩一约束,将该子问题转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,将求解得到的V2通过奇异值分解,恢复出优化后的有源RIS2的反射系数对三个子问题采用交替优化算法进行迭代求解,直至目标函数收敛。

2.一种采用如权利要求1所述的双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的系统,其特征在于,包括:信道增益获取模块,用于在一个双有源RIS辅助的PLS传输系统中,获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益;

计算模块,用于根据所述信道增益,计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率;

优化问题构建模块,用于以保障合法用户端的安全速率为约束,联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数,最小化PLS传输系统的总功率消耗,构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题;

求解模块,用于对优化问题进行求解,得到双有源RIS辅助的PLS传输系统最小功耗;

所述双有源RIS辅助的PLS传输系统由一个配置M根发射天线的基站、一个单天线合法用户、一个单天线非法窃听节点、以及分别配置N1和N2个反射单元的有源RIS1和有源RIS2组成;

所述获取基站到有源RIS1、有源RIS1到合法用户、有源RIS1到非法窃听节点、有源RIS1到有源RIS2、有源RIS2到合法用户、有源RIS2到非法窃听节点的信道增益包括:将合法用户和窃听节点的接收信号分别表示为:

H

其中,yU表示合法用户的接收信号,yE表示窃听节点的接收信号,() 表示共轭转置操作;

表示有源RIS1与合法用户之间的信道衰落向量;式中 表示x×y维的复值矩阵空间; 表示有源RIS1与非法窃听节点之间的信道衰落向量;

表示有源RIS2与合法用户之间的信道衰落向量; 表示有源RIS2与非法窃听节点之间的信道衰落向量; 表示基站与有源RIS1各反射单元之间的信道衰落矩阵;

表示有源RIS1与有源RIS2之间的信道衰落矩阵;

表示基站的波束成形向量; 分

别表示有源RIS1和有源RIS2的反射系数, 与 分别表示有源RISi的第ni个反射单元的振幅与相位,并且 j为虚数单位,diag()表示对角化操作;

2

s表示基站向合法用户和非法窃听节点发送的信息,其中E{|s|}=1,E{}表示取数学期望操作,表示对复数取模操作;n1,n2,nU和nE分别表示有源RIS1,RIS2,合法用户和非法窃听节点处的高斯白噪声,分别服从零均值和方差为 和 的复高斯分布,记作 和 式中i∈{1,2}、 表示

Ni×1维的零向量、 表示Ni维的单位矩阵;

所述计算合法用户和非法窃听节点的传输速率以及合法用户端的安全速率包括:根据合法用户和窃听节点的接收信号,将合法用户和窃听节点的传输速率分别表示为:其中,表示对向量取二范数操作;

合法用户端的安全速率为合法用户传输速率与非法窃听节点的传输速率之差;

所述PLS传输系统总功耗包括基站消耗功率、有源RIS1以及有源RIS2消耗的功率,其中有源RIS1和有源RIS2消耗的功率表示为:其中,F表示对矩阵取F范数操作,系统的总功率消耗表示为:其中, 和 和 分别表示有源RIS1、RIS2的每个反射单元电路功率消耗和直流偏置功率消耗;

所述构建PLS传输系统总功耗最小化的优化问题包括:通过联合优化基站的波束成形向量、有源RIS1和有源RIS2的反射系数,最小化系统的总功率消耗,构建的优化问题如下:(P0)

s.t.RU‑RE≥εmin(8a)

其中,RU‑RE≥εmin表示合法用户的PLS传输约束,εmin是合法用户端的最小安全速率门限;

所述对优化问题进行求解包括:

利用交替优化算法进行迭代求解,将(P0)问题分解成三个子问题:固定有源RIS1的反射系数Φ1和有源RIS2的反射系数Φ2,优化基站的波束成形向量ω,构建子问题(P1)如下:(P1)

s.t.(8a)(9)

通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束,将子问题(P1)转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,对于求解后的W,通过奇异值分解,恢复出优化后的基站的波束成形*向量ω ;

固定基站的波束成形向量ω和有源RIS2的反射系数Φ2,优化有源RIS的反射系数Φ1,构建子问题(P2)如下:(P2)

s.t.(8a)(10)

针对(P2)中关于Φ1非凸约束(8a),利用连续凸逼近方法,将其转化为凸约束;通过半正定松弛算法松弛非凸的秩一约束,将子问题(P2)转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,将求解得到的V1通过奇异值分解,恢复出优化后的有源RIS反射系数固定基站的波束成形向量ω和有源RIS1的反射系数Φ1,优化有源RIS2的反射系数Φ2,构建子问题(P3)如下:(P3)

s.t.(8a)(11)

针对(P3)中关于Φ2非凸约束(8a),利用连续凸逼近方法将其转化为凸约束,通过半正定松弛算法松弛非凸秩一约束,将该子问题转化为凸优化问题,使用凸优化工具包进行求解,将求解得到的V2通过奇异值分解,恢复出优化后的有源RIS2的反射系数对三个子问题采用交替优化算法进行迭代求解,直至目标函数收敛。

3.一种计算设备,包括:

存储器和处理器;

所述存储器用于存储计算机可执行指令,所述处理器用于执行所述计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1所述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的步骤。

4.一种计算机可读存储介质,其存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1所述双有源RIS辅助的PLS传输系统功耗优化方法的步骤。