[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

说明书

本发明公开了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，在RIS辅助大规模多输入多输出无线安全通信系统中，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；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；重复以上操作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；最后，计算剩余功率，设计人工噪声的协方差矩阵。本发明可以在仅知合法用户统计CSI、未知窃听者CSI的前提下，能有效降低系统开销，应用于实际通信场景中，且能有效避免人工噪声对合法用户的干扰，保证合法用户的通信质量，提高系统的安全速率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种利用合法用户统计CSI(ChannelState Information，信道状态信息)的RIS(Reconfigurable Intelligent Surface，可重构智能反射面)辅助无线安全通信传输方法。

背景技术

随着第五代(The 5th Generation Mobile Networks,5G)无线通信网络开始商用，第六代(The 6th Generation Mobile Networks,6G)无线通信网络的研发逐渐引起大家浓厚的兴趣。6G预计将提供全球覆盖、增强的频谱/能源/成本效率、更好的智能水平和安全性等。一方面，受限于位置因素，很多物联网设备与基站之间的通信链路由于障碍物的阻挡变得不可靠，这对于在6G时代实现物联网万物互联是一大阻碍。另一方面，由于无线媒体的广播性质，无线通信容易被窃听。为了解决上述难题，人们分析了在6G物联网中使用可重构智能反射面RIS这一新技术以增加用户信号在基站端强度的可能性。

与传统的通信方式相比，RIS辅助的通信系统有以下优势：首先，传统反射面的相移是固定的，不能改变，而RIS可以通过其小型控制器连续改变相移。其次，RIS的复杂度较低，安装也很方便，可以很容易地部署在建筑物、天花板或室内空间，并且它不受接收机噪声的影响，因为它没有配备任何信号处理设备，如模数、数模转换器以及调制器或解调器。第三，RIS是一种特殊的“中继”，它只被动地反射信号，不对入射信号造成改变，没有任何发射功率消耗，而传统的中继需要一定的功率来传输信号。这些显著的优势使RIS成为超5G甚至6G的绿色节能技术，并可应用于各种通信场景，如多小区、大规模设备到设备、无线信息和功率传输以及安全通信。

本发明提出了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，其难点在于发送信号协方差矩阵、RIS相移矩阵、用户发送功率以及人工噪声的协方差矩阵的设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供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，在满足总发射功率约束以及合法用户服务质量约束的前提下，以系统安全速率最大化为目标，利用统计CSI设计发送信号协方差矩阵、合法用户发送功率、RIS相移矩阵和人工噪声的协方差矩阵，使系统安全速率最大。

发明内容：本发明提出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，具体包括以下步骤：

(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；

(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。