[发明专利]IRS辅助MISO系统中基于交替迭代的物理层安全设计方法

权利要求书

1.一种IRS辅助的MISO系统中基于交替迭代的物理层安全设计方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：构建具有非凸约束的目标函数，该目标函数由波束赋形矢量f和智能反射表面相移矩阵Φ两个变量组成；

S2：将目标函数采用交替迭代的方式解耦，将波束赋形矢量f和智能反射表面相移矩阵Φ分离；

S3：固定智能反射表面相移矩阵Φ，通过最大化系统保密和速率求得波束赋形矢量f；

S4：根据步骤S3得到的波束赋形矢量f，再次以最大化保密和速率的目标函数为目的，经过丁克尔巴赫算法与基于黎曼流形的共轭梯度下降方法获得智能反射表面相移矩阵Φ；

S5：根据完美的信道状态条件，交替迭代步骤S3和S4，获得最优的波束赋形矢量f、智能反射表面相移矩阵Φ，以及系统的最大化保密和速率；

步骤S3中，当固定智能反射表面相移矩阵Φ时，优化波束赋形矢量f的表达式为：

s.t.||f||²≤P_max

其中，和分别表示基站到智能反射表面的信道系数矩阵，智能反射表面以及基站到合法接收者的信道系数矢量；和分别表示基站和智能反射表面到窃听者的信道系数矢量，M表示IRS包含的反射单元数量，N_t表示基站BS配置的天线数量；表示在合法接收者处信道加性复高斯白噪声的方差，表示在窃听者处信道加性复高斯白噪声的方差；||f||²≤P_max是对基站发送功率的约束，P_max表示基站的最大发送功率；

假设基站总是以最大发送功率发送信息，则将约束松弛为||f||²＝P_max，并令则有：

其中，表示维度为N_t×N_t单位矩阵，表示噪声的方差；

上式是求解广义瑞利熵的形式，直接求解，得到矢量f_opt为：

其中，表示与矩阵束(X_L,X_E)的最大广义特征值所对应的归一化特征向量。

2.根据权利要求1所述的物理层安全设计方法，其特征在于，步骤S4中，获得智能反射表面相移矩阵Φ，具体包括：当固定步S3中确定的波束赋形矢量f时，优化目标是一个仅与变量Φ相关的分式函数，表达式为：

s.t.|Φ_k,k|＝1,k∈{1,2,...,M}

利用矩阵变换：h_IiΦH_BI＝v^Tdiag(h_Ii)H_BI,i∈{L,E}，则有：

其中，表示IRS第k个单元的相位，k＝1,2,..,M；

*表示共轭运算；

则优化目标转变为下式：

s.t.|v_k|＝1,k∈{1,2,...,M}

其中，v_k表示矢量v中第k个元素；使用丁克尔巴赫算法，将目标函数改写成非分式形式，即：

s.t.|v_i|＝1,i∈{1,2,...,M}

其中，λ≥0表示引入的辅助变量。

3.根据权利要求2所述的物理层安全设计方法，其特征在于，步骤S4中，求解目标函数具体包括：在给定λ初始值的条件下，首先基于黎曼流形优化方法，将非凸约束项构造在黎曼子流形中，形成一个无约束优化问题；进而采用基于共轭梯度下降的方法求解矢量v；接着以求得的v为基础，利用丁克尔巴赫算法来迭代更新变量λ；然后利用更新后的λ值，再次利用基于黎曼流形的共轭梯度下降法来更新矢量v；上述过程交替进行，直至λ达到收敛，此时与丁克尔巴赫算法求得的λ值所对应的矢量v即为最优相移矢量v_opt。