[发明专利]一种智能反射表面辅助型MIMO隐蔽通信系统及参数优化方法

说明书

本发明提供的一种智能反射表面辅助型MIMO隐蔽通信系统及参数优化方法，包括智能反射表面和虚拟监听方，所述智能反射表面用于实现发送方和接收方之间的通信，且发送方与接收方和虚拟监听方之间的直射信道均设置有障碍物；所述虚拟监听方用于非法截获智能反射表面向接收方卸载的任务；本发明利用智能反射表面辅助隐蔽通信，由于智能反射表面的每个反射元件都是无源地反射，且其没有配置调制器、解调器等信号处理设备，将减少系统额外的资源消耗；同时，本发明能够在不需要大量射频链路的情况下实现虚拟大规模MIMO以对抗多天线虚拟监听方，提升隐蔽通信性能。

技术领域

本发明涉及隐蔽通信问题，特别涉及一种智能反射表面辅助型MIMO隐蔽通信系统及参数优化方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，信息安全问题逐渐受到人们的重视，基于密钥的高层加密是当下保障隐私安全的重要可行手段，然而这一手段在实际应用中也遇到了一些阻碍，如密钥分发、存储、管理带来的巨大系统开销。隐蔽通信，又称作低检测概率通信，作为一种无需密钥的安全通信手段，旨在降低通信被非法用户检测到的概率，提升信息交付的保密性与安全性，为保护信息安全提供了一种新颖的解决方案。

目前，已有多种技术被用于加强隐蔽通信，例如多天线技术、中继和干扰等。然而，这些技术不可避免地存在一些缺陷，限制了对隐蔽通信性能的提升。例如，多天线技术本质上是信道自适应的，其性能受到无线信道质量的影响。规模较小的天线阵列对隐蔽通信性能的提升作用比较小，而增加天线数量则需要更多的射频链路，从而导致更高的功耗和复杂度。中继包含了信号的解码、再生等过程，也会消耗系统额外的资源。干扰的实现通常需要额外的友好节点，而且干扰信号如果没有得到有效的控制，可能会干扰到目标用户。

隐蔽通信性能绝大程度上取决于所处的无线传播环境，上述隐蔽通信技术虽然能够适应时变的无线信道但无法对其进行有效改善。不同于上述技术，智能反射表面因其功耗低、可以重构信道的特点在隐蔽通信中具有较高的应用价值。智能反射表面又称为可重构智能表面，是一个由大量无源反射元件组成的通过软件控制的超表面。每个反射元件可以独立地改变入射信号相位，协同生成精细的反射波束，使反射信号在目标用户方向上叠加增强，而在非法用户方向上抵消减弱，实现信道的智能重构，且整个过程功耗很低。这些优势使得智能反射表面在其他通信场景，如多小区、大规模D2D和无线信息功率传输等，中也具有广阔的应用前景。

目前关于智能反射表面辅助隐蔽通信的研究多集中在目标用户和虚拟监听方为单天线接收机的场景，且多采用交替优化算法来优化系统参数。实际上，将MIMO和智能反射表面同时引入隐蔽通信系统，利用MIMO的定向波束形成将发射能量集中在目标方向上，降低发射信号功率，而利用智能反射表面实现信道重构，改善信道性能，从而在不需要大量射频链路的情况下实现虚拟大规模MIMO，可以进一步提升隐蔽通信性能。

然而，目前对于智能反射表面辅助MIMO隐蔽通信的研究相当匮乏。考虑智能反射表面辅助MIMO隐蔽通信时，隐蔽速率最大化的系统参数优化问题的难度将会急剧增加，因为仅仅优化发射波束成形向量不再是最优的选择，而需要优化发射信号协方差矩阵，同时目标函数也变成了复杂的对数行列式函数，这使得现有的方法难以很好地解决该问题。由此可见，如何高效地求解智能反射表面辅助MIMO隐蔽通信系统参数优化问题是一项值得研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能反射表面辅助型MIMO隐蔽通信系统及参数优化方法，解决了现有技术中存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种智能反射表面辅助型MIMO隐蔽通信系统，包括智能反射表面和虚拟监听方，所述智能反射表面用于实现发送方和接收方之间的通信，且发送方与接收方和虚拟监听方之间的直射信道均设置有障碍物；所述虚拟监听方用于非法截获智能反射表面向接收方卸载的任务。

优选地，所述智能反射表面IRS配备有M个反射元件。