[发明专利]一种智能反射表面辅助的太赫兹安全通信系统设计方法

说明书

本发明属于高频无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射表面辅助的太赫兹通信系统设计方法。本发明的方案是，通信系统包括装配有N_BS个天线的基站、由N_IRS个反射阵元构成的智能反射表面和一个装配单天线的移动用户端，基站端通过主动式混合波束赋型，将发射信号以波束形式传输到智能反射表明构成的中继上，智能反射表面通过调整每一阵元的相位将该波束反射到移动用户端，同时抑制窃听者的接收信号，以最大化下行传输数据速率为目标，建立联合优化函数，并通过基于交叉熵的相位搜索算法优化系统传输数据速率最大化的问题。相对于传统技术，可有效减小智能反射表面相位矩阵的搜索次数以及计算的复杂度，同时可提高多输入单输出的太赫兹通信系统的安全速率。

技术领域

本发明属于高频无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射表面(IntelligentReflecting Surface,IRS)辅助的太赫兹通信系统设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，学术界和工业界越来越关注于高频段频谱资源(如：太赫兹)的开采与利用。太赫兹通信在实际应用中面临一些挑战：由于严重的路径衰减和分子吸收损耗，太赫兹通信受限于短距离室内场景；然而，由于太赫兹波的方向性强、衍射差，太赫兹波易于被室内障碍物(如家具，墙)。为了解决这个问题，智能反射表面被学术界和工业界提出，它可有效的提高通信系统的覆盖能力和频谱效率。具体来说，智能反射表面可通过控制其阵元对波束的相位偏转以调节太赫兹波束的传播方向，从而提高通信系统的安全速率。一种最直接的调节方式就是采用遍历搜索算法，通过遍历比较智能反射表面所有阵元可能的相位组合，以找到最大的安全速率，但是遍历搜索算法消耗极高的计算复杂度。

发明内容

本发明的目的是，针对智能反射表面辅助的多输入单输出太赫兹安全通信系统的安全速率的优化问题，提供一种基于交叉熵的相位搜索算法来降低智能反射表面最优阵元相位搜索的复杂度，并同时提高系统的安全速率。通过在迭代过程中依据安全速率最大化的准则逐次更新估计的智能反射表面相位矩阵取值，本发明可以大幅度降低智能反射表面最优相位搜索的复杂度，并且本发明在太赫兹多输入单输出安全通信系统中实现的安全速率性能接近遍历搜索算法实现的最优性能，同时该性能显著高于没有智能反射表面辅助的太赫兹多输入单输出安全通信系统。

本发明的技术方案是：

一种智能反射表面辅助的多输入单输出太赫兹安全通信系统设计方法，通过设计智能反射表面各阵元的相位以提高系统数据传输速率，该方法用于下行链路的太赫兹多输入单输出安全通信系统，一个配置N_BS个天线的基站与一个配置单个天线的移动合法用户进行下行链路通信，同时存在一个配置单个天线的窃听者。为辅助该通信，达到增强合法用户接收信号，抑制窃听者接收信号的目的，在通信过程中增加一个由N_IRS个反射阵元构成的智能反射表面。下行的太赫兹多输入单输出安全通信系统中，基站端通过主动式混合波束赋型，将发射信号以波束形式传输到智能反射表明构成的中继上，智能反射表面通过调整每一阵元的相位将该波束反射到移动合法用户端，同时抑制窃听者的接收信号，以实现基站到合法用户的安全通信。与传统中继不同，智能反射表面是最近提出的概念，它只能被动反射电磁波，而不能对其进行接收处理，因而可显著降低系统功耗。预设该系统的通信频率为f，智能反射表面每一阵元可选离散相位集合为基站端到智能反射表面端信道为H_t，智能反射表面端到合法用户端信道为h_ru，基站端到合法用户端信道为h_du，智能反射表面端到窃听者信道为h_re，基站端到窃听者信道为h_de，平均接收功率为ρ，信道噪声功率为δ²。

其特征在于，所述智能反射表面的相位设计方法为：

以最大化下行安全速率R_sec＝[R_U-R_E]⁺为目标，其中R_U和R_E分别表示合法用户和窃听者的数据传输速率，并且可分别写为