[发明专利]一种基于智能反射面的物联网隐蔽波束成形设计方法

权利要求书

1.一种基于智能反射面的物联网隐蔽波束成形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立隐蔽通信环境；

步骤2，在理想隐蔽约束条件下，进行隐蔽波束成形设计；

步骤1包括：用Alice表示基站，Willie表示窃听者，Bob表示隐蔽用户，Alice将私有数据流x_b发送给Bob，用表示零假设，即Alice没有向Bob发送私有数据流；用表示另一种假设，即Alice向Bob发送私有数据流；同时，Willie作为窃听者在观察通信环境，并尝试识别Alice是否正在向Bob传输；为保护机密信号不被窃听，采用带智能控制器的IRS智能反射面协助隐蔽传输；

步骤1中，设定Alice配备了N根天线，Bob和Willie各有一条天线；令表示信号x_b的功率，x_b为Alice给Bob发送的信号；使其中，表示复数矩阵的集合；h_AB是一个N×1的复矩阵，是指Alice到Bob信道系数；h_AW是一个N×1的复矩阵，是指Alice到Willie信道系数；h_IB是一个M×1的复矩阵，是指IRS到Bob信道系数；h_IW是一个M×1的复矩阵，是指IRS到Willie信道系数；

用表示Alice到IRS的信道系数；

用表示Alice向Bob发送信息的事件，用表示Alice不向Bob发送信息的事件；

步骤1中，从Willie的角度来看，Alice的传输信号x如下：

其中w_b为x_b的发射波束形成向量；

设定Alice在下不传输信号，且波束形成器w_b在下满足以下约束：

||w_b||²≤P_total (2)

式中P_total为Alice的最大发射功率；

在IRS时相移矩阵Q由给出，Q表示一个对角矩阵，其对角元素为向量的对应元素q；

使用为IRS单位的反射建模，其中q_m表示第m个单位的反射建模，当m＝1,…M时，θ_m∈[0,2π)和β_m∈[0,1]分别表示第m个单位引入的可控相移和振幅反射系数；

设以达到最大的反射功率增益，则q应满足：

|q_m|＝1,m＝1,…M (3)

在Bob处接收的信号y_b写成：

其中z_b为Bob处的接收噪声；表示Bob处的信号噪声z_b服从均值为0方差为的复高斯分布；h_IB是从IRS到Bob的信道系数，为h_IB的共轭转置；h_AB为Alice到Bob信道系数，为h_AB的共轭转置；

步骤1中，Willie收到的信号y_w写成：

其中z_w是Willie处接收到的噪声，表示Willie处接收到的噪声z_w服从均值为0方差为的复高斯分布；h_IW是从IRS到Willie的信道系数，为h_IW的共轭转置；h_AW为Alice到Willie信道系数，为h_AW的共轭转置；

步骤1中，设定R_b是假设为时Bob的瞬时速率，写成：

Willie在和下接收信号的似然函数分别表示为p₀(y_w)和p₁(y_w)，根据式(5)，p₀(y_w)和p₁(y_w)分别为：

其中表示Willie的信号噪声z_w的噪声方差，λ₀和λ₁表示辅助变量；

步骤1中，Willie希望通过应用最佳检测器来最小化检测错误概率ξ，设定：

ξ＝1-V_T(p₀,p₁) (8)

其中V_T(p₀,p₁)是p₀(y_w)和p₁(y_w)之间的总变化，采用Pinsker不等式，得到：

其中D(p₀||p₁)表示从p₀(y_w)到p₁(y_w)的KL发散，D(p₁||p₀)是从p₁(y_w)到p₀(y_w)的KL发散；

D(p₀||p₁)和D(p₁||p₀)分别为：

dy表示对y求积分；

为了实现与给定ξ的隐式通信，即ξ≥1-ε，似然函数的KL散度需要满足以下约束之一：

D(p₀||p₁)≤2ε², (11a)

D(p₁||p₀)≤2ε² (11b)；

步骤2包括：所述理想的隐蔽约束条件下是指：Willie是合法用户，并且想要获取Bob的个人信息，在这种情况下，Alice知道h_IW和h_AW频道的完整CSI信道状态信息，然后用完整信道信息状态帮助Bob避免Willie监视；

建立问题(12)：

s.t.D(p₀||p₁)＝0, (12b)

||w_b||²≤P_total， (12c)

为解决问题(12)，问题(12)重新表述为以下等价形式的问题(13)：

||w_b||²≤P_total， (13c)

在这种情况下，需要迭代地解决以下两个子问题：修复w_b优化q，然后修复q优化w_b，具体如下两个子部分：

子问题1：用给定的q优化w_b，如下所示：

修复q，定义辅助变量和问题(13)重新表述为以下等效形式的问题(14)：

应用SDR半正定松弛技术来放宽问题(14)，即，忽略秩1的约束，得到问题(14)的宽松形式，即如下问题(15)：

s.t Tr(t_WW_bt_W^H)＝0， (15b)

Tr(W_b)≤P_total, (15c)

W_b≥0 (15d)

设表示问题(15)的最优解；由于松弛，的秩可能不等于1，因此，如果是问题(15)的最优解，并且通过SVD奇异值分解得到最优波束形成器w_b，即否则，如果采用高斯随机化过程来产生问题(15)的高质量秩1的解；

子问题2：在给定w_b条件下优化q，如下所示：

问题(13)转换为以下问题(16)：

因为：

下面的等式成立：

其中和

G_B和G_W在公式(20)和(21)中给出：

将(18)(19)代入问题(16)中，改写为如下问题(22)：

其中E_m是一个M+1维矩阵，E_m中第(i,j)个元素记为[E_m]_i,j，满足：

为了解决问题(22)，采用SDR技术来克服非凸性，使用并且去掉的约束，将问题(22)重新表示为松弛形式，即问题(24)：

问题(24)是一个凸半正定规划问题，用内点法进行优化求解。