[发明专利]智能反射表面辅助的毫米波物理层安全通信联合优化方法

说明书

智能反射表面辅助的毫米波物理层安全通信联合优化方法，通过迭代求解目标函数得到最优的预编码矩阵以及IRS相位偏转矩阵，判断是否达到收敛条件，基于交替优化和改进的最小化最大化优化方法应用于能反射表面协助的下行毫米波通信系统联合优化，解决了传统通信能耗高、时延大、可靠性差、部署难等问题，有效提高了高频无线通信物理层的安全性。

技术领域

本发明涉及高频无线通信技术领域，具体说的是智能反射表面辅助的毫米波物理层安全通信联合优化方法。

背景技术

5G移动通信的不断发展给人们的日常生活带来了诸多便利，但同时无线网络覆盖难、能耗高的问题也日益突出，成为制约移动通信产业的痛点。而智能超表面技术的提出打破了MIMO等传统通信技术发展的僵局，为未来5G以外的无线网络找到创新、频谱和节能且经济高效的解决方案，助力在6G时代实现物联网万物互联。

智能反射表面(IRS)是由大量低成本无源反射元件组成的平面，每个元件能够独立地诱导入射信号的振幅和/或相位变化，从而协同实现精细的三维(3D)反射波束形成。与现有的发射机/接收机无线链路适配技术形成鲜明对比，IRS通过高度可控和智能信号反射主动地修改它们之间的无线信道。这为进一步提高无线链路的性能提供了新的自由度，为实现智能可编程无线环境铺平了道路。通过适当地调整3D被动波束形成，IRS反射的信号可以与来自其它路径的信号建设性地相加，以增强接收机处的期望信号功率，或者破坏性地消除诸如同信道干扰等不期望信号。由于IRS消除了发射RF链的使用，并且只在短距离内工作，因此它可以密集部署，具有可扩展的成本和低能耗，而无需在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。

与通过信号再生和重传协助源目的地通信的有源无线中继的传统的通信技术不同，IRS不使用任何有源发射模块(例如，功率放大器)，而仅将接收到的信号反射为无源阵列。此外，有源中继通常以半双工模式运行，因此其频谱效率低于以全双工模式运行的IRS。与传统的反向散射通信(例如通过识别从读取器发送的反射信号与读取器进行通信的射频识别(RFID)标签)不同，IRS用于促进现有的通信链接，而不是发送其自身的任何信息。相比之下，在IRS辅助的通信中，直接路径信号和反射路径信号都可以携带相同的有用信息，因此可以在接收器处相干添加以提高解码的信号强度。第三，由于IRS的阵列架构(无源与有源)和操作机制(反射与传输)不同，与基于有源表面的大规模MIMO不同，IRS通过可编程的信息超材料(比如阵列放置的通断二极管，改变材料本身的反射特性)，来调整打在这个表面上的电磁波的角度，幅度，相位等。因此有低能耗、低成本、易安装这些潜在优点，是一种经济、绿色、节能的移动通信新思路。

从实现的角度来看，IRS还具有诱人的优势。首先，IRS通常是用低轮廓、轻重量和共形几何形状制作的，这使得很容易在墙壁、天花板、建筑立面、广告面板等上安装/移除它们。此外，由于IRS在无线网络中是一种补充设备，将其部署在现有的无线系统(例如蜂窝或WiFi)中不需要更改其标准和硬件，而仅需对通信协议进行必要的修改即可。因此，将IRS集成到无线网络中可以对用户透明，从而提供与现有无线系统的高度灵活性和优越兼容性。因此，IRS能够以较低的成本在无线网络中实际部署和集成。如何合理的优化IRS所在的无线网络，发挥出IRS的特性，以实现毫米波物理层安全通信，变成了亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种智能反射表面辅助的毫米波物理层安全通信联合优化方法，基于交替优化和改进的最小化最大化优化方法应用于能反射表面协助的下行毫米波通信系统联合优化，解决了传统通信能耗高、时延大、可靠性差、部署难等问题，有效提高了高频无线通信物理层的安全性。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：智能反射表面辅助的毫米波物理层安全通信联合优化方法，用于智能反射表面辅助的毫米波通信系统，毫米波通信系统中存在N个天线的发射器、M个反射阵列组成的IRS、合法接收器及窃听器，在发射器将源信号同时发送给合法接收器和IRS后，IRS将接收到的信号同时反射给装配单天线的合法接收器和装配单天线的窃听器进行通信，具体实现方法为：