[发明专利]智能反射镜辅助的安全空间调制系统的波束成形设计方法

说明书

本发明提供智能反射镜辅助的安全空间调制系统的波束成形设计方法，通过调节反射元件的通断状态来执行无源波束形成和信息传输，在发射机到接收机的直接路径信道存在障碍物以及IRS仅反射信号一次的情况下，提出了一个使平均安全速率(SR)最大化的优化问题，并通过设计和优化IRS处的无源波束成形来解决此优化问题。由于SR的表达式比较复杂，推导了传统的近似SR(TASR)的表达式以及推导了一个新的且具有更简单的封闭形式的拟合表达式(NASR)，再基于TASR和NASR两个拟合表达式，提出了三种波束形成方法，即基于半定松弛(SDR)法最大化TASR(Max‑TASR‑SDR)、基于连续凸逼近(SCA)法最大化NASR(Max‑NASR‑SCA)和基于对偶上升(DA)法最大化NASR(Max‑NASR‑DA)，以改进、提高IRS辅助的SSM系统的SR性能。

技术领域

本发明涉及波束技术领域，尤其涉及智能反射镜辅助的安全空间调制系统的波束成形设计方法。

背景技术

传统的空间调制(Spatial Modulation，SM)技术的传输原理是将发送的信息比特中的一部分映射为传统的幅度相位调制符号，另一部分则通过天线索引携带。SM在空间复用和分集之间取得了很好的平衡，由于没有信道间干扰(Inter-channel Interference，ICI)、天线间同步(Inter-antenna Synchronization，IAS)和使用不太活跃的射频(RadioFrequency，RF)链的优势，SM变得更具吸引力。因此，它也是一种绿色无线传输技术。

智能可重构表面(Intell igent Reconfigurable Surface，IRS)已经成为一种革命性的技术，用于提高未来无线通信的覆盖范围、能量和频谱效率。具体来说，IRS由大量小的、低成本的无源元件组成。这些元件仅反射具有可调相移的入射信号，而不需要复杂的预编码和射频处理。IRS配备智能控制器，能够智能调节入射信号的相位，增加接收信号能量，扩大覆盖区域，缓解干扰，从而提升无线网络的通信质量。

由于IRS的优势，SM和IRS结合的通信网络已经引起了越来越多的关注。但以往的研究都集中在最大化接收信号的强度、速率、能效和中断概率，关于IRS辅助的SM系统的SR性能的研究还没有。为了验证IRS的辅助是否能提高SSM系统中SR性能这个问题，本发明提供了具有重要意义的IRS辅助的安全SM系统。在该系统中，发射端Al ice具有单根天线，而接收者Bob和窃听者Eve均具有多根天线。我们将SM原理应用于IRS，激活IRS的一组元件，并反射信号到接收端，同时运用被激活的、处于工作状态的IRS元素索引组合来传达IRS的空间信息。此外，我们还在发射端到接收端之间设置了IRS通信所必需的障碍物。

发明内容

鉴以此，本发明的目的在于提供智能反射镜辅助的安全空间调制系统的波束成形设计方法，运用IRS辅助安全空间调制系统，提高系统的SR性能。本发明提供的IRS辅助的安全空间调制系统的波束成形设计可实现提高系统的SR性能。

本发明采用的技术方案如下：

智能反射镜辅助的安全空间调制系统的波束成形设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1：将智能反射镜(IRS)的N个元件平均分组成G组，每组含有N/G个元件，且每组元件的反射系数都不同，在每个符号持续周期内，随机激活一组元件来反射入射传输信息信号，而剩余的G-1组则处于未激活状态用以实现空间调制(SM)方案；

S2：将传输信息信号划分为两部分，第一部分表示为j∈{1，2，…，M}，被调制为M阶正交幅度调制(QAM)或相移键控(PSK)符号，而第二部分i∈{1，2，…，G}则用于激活智能反射镜(IRS)元件中某组元件S以发射信号；

S3：通过评估平均安全速率(SR)描述智能反射镜(IRS)辅助的安全空间调制系统的安全性；