[发明专利]利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法

权利要求书

1.一种利用合法用户统计CSI的RIS辅助无线安全通信传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建适用于窃听者CSI未知的RIS辅助无线安全通信传输系统；所述系统包括一个有M根天线的基站、一个有N根天线的合法用户、一个有E根天线的窃听者、一个集成L个低功耗反射单元的RIS；基站与合法用户以及窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，基站与合法用户以及窃听者之间分别只存在一条经过RIS的反射路径，基站到RIS、RIS到合法用户的信道分别为：

其中，R₀、R₁表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，表示信道的确定性视距分量，X₀、X₁由信道的随机成分组成，R₀，R₁，T₀，T₁，分别是L×L，N×N，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI；X₀，X₁分别是L×M，N×L的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；表示矩阵的平方根；发送信号s是M×1的列向量，发送信号协方差矩阵Q＝E{ss^H}；RIS相移矩阵Φ＝diag([q₁，q₂，...，q_L]^T)是L×L的对角矩阵，是相移系数，θ_i∈[0，2π)表示RIS对信号的调整角度；

(2)在RIS辅助无线安全通信传输系统中，设置RIS相移矩阵初始值，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计发送信号协方差矩阵，设计合法用户发送功率使合法用户满足通信速率需求；

(3)根据发送信号协方差矩阵，利用基站与合法用户之间的统计CSI，设计RIS相移矩阵；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)直到合法用户发送功率收敛，得到最小的合法用户发送功率；

(5)根据合法用户发送功率计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵；所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)给定初始RIS相移矩阵Φ＝I_L，其中，I_L是L×L的单位矩阵；设计发送信号协方差矩阵：其中，F和A_Q是辅助变量，表达式如下：

其中，U_F和A_F是通过对F进行特征值分解得到的辅助变量，max{a，b}表示取a和b中较大的数，μ是使Q^*满足tr(Q^*)≤MP_T的参数，tr(.)表示矩阵的迹，P_T是基站的总发送功率，I_M是M×M的单位矩阵，是基于系统统计CSI的等效信道参数，具体表达式如下：

其中，Θ，Ξ，Ψ，Π，Γ都是辅助变量，具体表达式如下：

Θ＝I_L+e₁ΨR₀，

Ξ＝σ²I_N+e₂R₁，

(22)令Q＝Q^*，更新等效信道参数

(23)重复步骤(21)、(22)直到合法用户可达速率收敛，得到最优发送信号协方差矩阵Q_opt＝Q^*；

(24)设定功率上限P₊，功率下限P_-，取两者中值计算合法用户可达速率并与通信速率需求γ比较，如果那么P₊＝P_mid，否则P_-＝P_mid，直到时，得到最小的合法用户发送功率P_min＝P_mid；

所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)计算系统速率对RIS相移矩阵的梯度方向向量其中，是关于θ_i的导数；

(32)取步长α＝0.1；

(33)RIS相移矩阵其中θ是由Φ对角元素组成的列向量，diag(.)表示括号中元素为对角线元素的对角矩阵，arg(.)表示括号中元素的辐角；

(34)令Φ＝Φ^*，更新等效信道参数

(35)重复步骤(31)至(34)直到合法用户可达速率收敛，得到最优RIS相移矩阵Φ^opt＝Φ^*；

所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)根据最小的合法用户发送功率P_min计算剩余功率P_r＝P_T-P_min；

(52)人工噪声的协方差矩阵：

其中，B₁为合法用户的统计CSI表达式，U_AN的列是B₁的零特征值对应的所有M-rank(B₁)个特征向量，rank(.)表示矩阵的秩，B₁的具体表达式如下：

其中，R₀表示接收天线的空间相关性矩阵，T₀，T₁表示发射天线的空间相关性矩阵，表示信道的确定性视距分量，R₀，T₀，T₁，分别是L×L，M×M，L×L，L×M，N×L的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI，tr(.)表示矩阵的迹。