[发明专利]基于分布式智能反射面的上行安全能效最大化设计方法

说明书

本发明属于基于智能反射面的上行通信安全能量效率优化技术领域，涉及到一种基于分布式智能反射面的上行安全能效最大化设计方法。本发明给出分布式IRS、基站的确切位置和估测的用户、窃听者位置，通过合理设计IRS的离散化反射相移矩阵集合、用户发送端的发射功率和分布式IRS的开关状态以实现通信系统安全能量效率最大化的部署方案。本发明为分布式IRS辅助上行通信系统最大化安全能量效率给出了参考取值方法。

技术领域

本发明属于基于智能反射面的上行通信安全能量效率优化技术领域，涉及到一种基于分布式智能反射面的上行安全能效最大化设计方法。

背景技术

随着5G通信网络进入商业化时代，下一代通信技术也正在展开探索，以实现更快、更可靠的数据传输。在这些技术中，智能反射面(IRS)尤其受到关注。IRS在未来无线网络中的广阔前景激发了学者们对于它的广泛研究。其中最值得关注的是通信安全。由于越来越繁杂的通信环境，私人信息的安全亟待去维护提升。因此安全通信在6G通信网络中至关重要。

IRS最大的优势其实就在于“无源”，因为IRS的每一个反射元素是通过被动反射信号的，所以与传统的有源技术相比，它所需的硬件成本大大降低。因此，在IRS辅助的通信系统下，为了提高通信系统的安全性能，往往以增加IRS的无源反射元素数量为代价。但当合法用户接收端距离IRS较远的时候，就算增加IRS反射元素的数量，安全速率(SR)的提升也并不显著。在模拟的集中式IRS辅助的通信系统中，的确可以通过调整IRS部署的位置以及增加IRS反射元素的数量来有效提高安全性能。但是考虑到在实际应用中，不论是合法用户接收端，还是窃听干扰端都是具有移动性的，而IRS则是被固定安装在某些建筑的外表面，所以并不能确保该IRS的位置是有利于所有安全通信场景的。如果一直增加IRS的元素总数，安全速率很有可能得不到显著的提升，并且还会浪费能量。

值得注意的是，虽然基于IRS的安全通信问题已经在各种系统和信道设置下进行了研究，但现有的IRS辅助通信的工作主要集中在单一IRS，设置在多IRS场景上的工作相对有限。不仅如此，分布式IRS波束形成的设计也很少考虑到实际的限制，如CSI缺陷等。事实上，在无线网络中部署大量的IRS是一个更实用的方案。一方面，IRS具有成本有限、易于集成、易于安装的优点；另一方面，分布式IRS可以为接收信号提供多条路径，由于基站(BS)-IRS信道在许多实际情况下预计是低秩的，因此使用分布式IRS可以产生一个高秩的BS-IRS信道矩阵，从而提高接收信号的强度和数据传输的鲁棒性。

发明内容

本发明针对上述现有不足技术，基于分布式IRS的场景对安全能效进行研究。当IRS的位置部署不得当时，需要很多的IRS元素来提高安全性能，而过多的IRS元素会降低能量效率，而且上行设备(用户端)的传输能量受限。因此，如果考虑的场景中有多个IRS，就可以选择激活最合适协助安全传输的IRS进行辅助通信，此时通信性能提升效果最为显著。基于此，本发明首次研究了多个IRS辅助上行通信系统的安全能效问题，并优化开关状态，选择部署合适的IRS来进一步提高安全能量效率。

本发明的目的是为了解决分布式IRS通信系统中的安全能效问题。针对所设计的上行单输单输出(SISO)通信系统，提出了一种灵活选择IRS工作以实现安全能量效率最大化的方法。具体方案如图1所示。通过联合优化IRS的离散化相移矩阵集合Θ、上行设备(用户端)的发射功率P以及多个IRS的开关状态x，每次只选择激活最适合辅助安全通信的IRS，减少多余的能量消耗，合理权衡安全速率和总能耗，达到最大化通信系统安全能效的目的。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

基于分布式智能反射面的上行安全能效最大化设计方法，步骤如下：

第一步，构建系统模型：