[发明专利]面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法

说明书

一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法，属于信息安全技术领域。本发明提出的一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法，采用低计算复杂度的迭代优化算法，逐步逼近大规模可重构智能表面辅助保密通信系统的最优保密波束成形和无源反射波束成形设计，在满足发射功率预算和离散相移约束下，最大化系统的安全能效，提高无线通信系统的安全传输性能。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）安全传输方法。

背景技术

5G的低时延、高可靠、快速接入，及高安全、低功耗的安全需求，给安全加密方法带来了挑战。与完全依靠密钥的保密性与强计算的传统上层加密机制不同，物理层安全传输旨在利用无线信道的随机性、唯一性结合先进的信号处理技术，建立优势主信道，在确保合法收发机可靠通信的同时防止非法用户从接收到的信号中窃取保密信息。但是，传统物理层安全传输技术局限于牺牲传输速率或发射功率，被动适应无线信道环境，安全性能的大小随着时变衰落信道随机波动。

可重构智能表面通过大量无源反射单元结构，不需要牺牲系统的传输速率和发射功率，通过被动反射接收信号，重新配置无线信道环境，能够实时高效构建优势主信道，在实现系统更高的频谱和能量效率的同时，获得更大的安全传输速率。同时，可重构智能表面因其成本低、重量轻，可以灵活部署在建筑物外立面、工厂天花板甚至于系留式高空平台。基于大规模可重构智能表面辅助的安全传输系统在海量节点轻量级安全传输的场景中具备广阔的应用前景。但是，目前通常仅考虑一个可重构智能表面辅助的安全速率最大化问题，5G以及未来无线通信极有可能会大规模部署RIS，探索如何利用多个RIS辅助安全通信是一项重要的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有物理层安全的不足，提供一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法。本发明提出低计算复杂度的迭代优化算法逐步逼近最优传输策略，满足保密信号发射机功率预算和大规模可重构智能表面离散相移的约束条件，最大化无线通信系统的安全能效。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种面向5G应用的基于大规模可重构智能表面安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 初始化L个可重构智能表面的反射单元，每个可重构智能表面中配制的反射单元的数量为M，L为可重构智能表面的数量，初始化安全能效；

S2. 对变量和进行优化:

其中，为目标函数，表示通信带宽， 表示对复数取实部操作， 为中间变量，，为等效的主信道，，表示对矩阵或向量进行复共轭转置操作，表示以向量作为对角元素构成的对角矩阵，表示信号发射机到合法用户的信道，表示信号发射机到第个可重构智能表面的信道，，表示第个可重构智能表面到合法用户的信道；为等效的窃听信道，，表示信号发射机到第个窃听者的信道，表示第个可重构智能表面到第个窃听者的信道； 为合法用户的接收噪声方差，为第个窃听者的接收噪声方差；表示信号发射机的波束成形向量，为最强窃听能力的窃听器的信噪比上限；为第n次迭代的波束成形向量，的初始值为随机预设的可行解；为第n次迭代的相移列向量，的初始值为随机预设的可行解；为第n次迭代的最强窃听能力的窃听器的信噪比上限，的初始值为随机预设的可行解，为初始化的安全能效；为信号发射机的功率放大器有效系数，为信号发射机的发射功率；为信号发射机中每根天线的恒定电路功耗，为合法用户中天线的恒定电路功耗，为每个可重构智能表面中第m个可编程的b位分辨率反射单元的功耗，为信号发射机的预设的最大功率，N为信号发射机的发射天线的数量，K为非法窃听者的数量；