本發(fā)明屬于通信，具體涉及一種安全通信感知一體化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著更多的多功能無線電設(shè)備出現(xiàn)在5g網(wǎng)絡(luò)中，頻譜擁堵阻礙著無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。為了解決頻譜擁塞問題，通信感知一體化技術(shù)被提出，它允許通信和雷達(dá)利用相同的頻譜資源和硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)相同電磁波信號的復(fù)用。與獨(dú)立的雷達(dá)與通信共存系統(tǒng)相比，該技術(shù)可降低硬件成本，減小通信和雷達(dá)信號的互干擾，提升頻譜、能量等資源利用率。因此，通信感知一體化(isac)技術(shù)引起了眾多研究者的興趣。

2、另一方面，智能反射面(ris)技術(shù)也被提出用于提升信號的接收質(zhì)量，擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍。具體而言，ris由大量反射元件構(gòu)成，可通過控制反射信號可重新配置無線傳播環(huán)境。在通信中，ris提高了系統(tǒng)容量，特別適合信道退化的環(huán)境；在感知中，ris可為非直射目標(biāo)建立虛擬直射鏈路，擴(kuò)大感知范圍。ris包含無源ris和有源ris，其中無源ris可最大程度反射信號，調(diào)節(jié)反射信號相位；有源ris可控制反射信號的幅度和相位，實(shí)現(xiàn)ris處的有源波束成形，優(yōu)化信號能量的傳輸方向。因此，將ris應(yīng)用于isac系統(tǒng)也受到了廣泛的關(guān)注。除了ris，先進(jìn)的多址接入技術(shù)，如非正交多址(noma)和速率拆分(rsma)等，也被應(yīng)用isac系統(tǒng)中。該技術(shù)可進(jìn)一步管理通信和感知間的干擾，得到更好的性能均衡。

3、然而，由于探測目標(biāo)和雷達(dá)會共享信號，目標(biāo)會作為潛在竊聽者，竊取用戶信息。另外，探測目標(biāo)需要較高的信號能量指向目標(biāo)，這也提升了目標(biāo)的竊聽信噪比(snr)，這嚴(yán)重威脅用戶的信息安全。因此，需要研究安全通信和感知的性能折中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種安全通信感知一體化設(shè)計(jì)方法，將ris和rsma引入到isac中，以最大化感知方向處的波束增益為目標(biāo)，建立了系統(tǒng)通信和感知性能指標(biāo)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基站和有源ris處的最優(yōu)波束成形，達(dá)到安全通信和感知的性能均衡。本發(fā)明方法不僅保證了安全通信和感知性能的均衡，而且優(yōu)于傳統(tǒng)中采用的無源智能反射面輔助的基于空分多址接入的感知通信一體化方案。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、步驟1：構(gòu)建ris輔助的rsma?isac系統(tǒng)模型：

4、步驟2：確定目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量，列出優(yōu)化問題；

5、步驟3：設(shè)計(jì)算法求解優(yōu)化問題。

6、進(jìn)一步地，所述步驟1具體為：

7、步驟1-1：所述rsma?isac系統(tǒng)模型共包含一個(gè)基站bs和一個(gè)ris，服務(wù)于k個(gè)單天線用戶和m個(gè)單天線目標(biāo)，其中目標(biāo)均作為潛在竊聽者，表示用戶集，表示目標(biāo)集；

8、步驟1-2：所述rsma?isac系統(tǒng)模型采用rsma，將用戶信息分為公共信息sc和私有信息sk,分別進(jìn)行預(yù)編碼；同時(shí)，將雷達(dá)序列添加到發(fā)送信號中，發(fā)送信號的預(yù)編碼信號表示為：

9、

10、其中，wc表示公共信息sc對應(yīng)的預(yù)編碼向量，wk表示第k個(gè)用戶私有信息sk對應(yīng)的預(yù)編碼向量，sr表示感知信號；

11、步驟1-3：設(shè)bs到目標(biāo)的所有鏈路被遮擋且目標(biāo)的方向是已知的，bs到第k個(gè)用戶、bs到ris、ris到第k個(gè)用戶和ris到第t個(gè)目標(biāo)的信道分別表示為hd,k∈cn,g∈cl×n,hr,k∈cl和ht,m∈cl，其中，用戶和ris信道模型均采用萊斯衰落信道模型：

12、

13、其中，dbs,k為基站bs到第k個(gè)用戶的距離，κbs,k為信道hd,k的萊斯指數(shù)，和分別為直射和非直射信道向量。dbs,ris為基站bs到ris的距離，κbs,ris為信道萊斯指數(shù)，gl,s和gnl分別為直射和非直射信道矩陣；c表示復(fù)數(shù)集，n表示發(fā)送天線數(shù)目，l表示ris元件數(shù)目，ε0表示參考距離處的路徑損失，σbs,k表示用戶信道的萊斯指數(shù)，σbs,ris表示ris信道的萊斯指數(shù)；

14、采用帶有誤差的信道模型，表示為：

15、

16、其中，表示為直射鏈路信道，δht,m表示信道不確定性；θm表示第m個(gè)目標(biāo)的角度；

17、步驟1-4：設(shè)每個(gè)用戶均采用串行干擾消除sic消除來自感知信號的干擾，同時(shí)用其解碼用戶信息；具體而言，是指在用戶解碼自己的信號之前先將感知信號移除，在解碼用戶信息時(shí)，先解碼sc，之后將其移除，再解碼sk,則用戶信息的解碼速率表示為：

18、

19、其中γc,k和γk為解碼sc和sk,時(shí)的信干噪比(sinr)。hk表示bs到第k個(gè)用戶的信道，σk和σe分別表示第k個(gè)用戶處的高斯白噪聲能量和ris處的高斯白噪聲能量，φ表示ris幅值和相移矩陣，wj表示第j個(gè)用戶信息的波束成形矢量；

20、若目標(biāo)處的接收信號仍采用sic進(jìn)行解碼，則目標(biāo)m對用戶k的竊聽速率可表示為：

21、rm,c＝log2(1+γm,c)?????????????????????????????????(7)

22、rm,k＝log2(1+γm,k)?????????????????????????????????(8)

23、其中，γm,c和γm,k分別是目標(biāo)m竊聽sc和sk,時(shí)的sinr；

24、步驟1-5：已知目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)信息，采用安全中斷概率sop約束作為衡量通信安全的準(zhǔn)則，其表示為：

25、

26、其中，表示為竊聽速率閾值，表示相應(yīng)的sop值；prm,k表示目標(biāo)m竊聽用戶k的安全中斷概率；

27、在此sop約束下，目標(biāo)m處的安全容量表示為：

28、

29、其中，rk表示用戶k的通信速率；

30、步驟1-6：在ris處安裝傳感器實(shí)現(xiàn)對回波信號的處理，采用ris的波束圖增益作為感知性能準(zhǔn)則，表示為：

31、

32、其中，x表示發(fā)送信號，g表示基站到ris的信道矩陣，wc表示公共信息的波束成形矢量，wk表示用戶k私有信息對應(yīng)的波束成形矢量，rv表示感知信號sr對應(yīng)的協(xié)方差矩陣，表示導(dǎo)向矢量，rx分別表示發(fā)送信號x的協(xié)方差矩陣；l表示ris元件數(shù)目；

33、進(jìn)一步地，所述步驟2具體為：

34、步驟2-1：通過對基站預(yù)編碼矩陣和ris反射系數(shù)聯(lián)合優(yōu)化，形成以下優(yōu)化問題：

35、

36、在該優(yōu)化問題中，c1表示用戶對sc的解碼速率約束，c2和c4表示用戶安全性能約束，c3表示目標(biāo)感知性能約束，c5表示ris的信號放大能力約束，c6和c7分別表示有源ris和bs的功率約束；

37、步驟2-2：簡化概率約束c4，將其轉(zhuǎn)換為確定性的形式：

38、忽略ris帶來的噪聲，放大目標(biāo)竊聽sinr，表示為：

39、

40、其中將式(4)帶入到式(14)中，得到如下形式：

41、

42、其中

43、應(yīng)用貝葉斯不等式將式(15)轉(zhuǎn)換為：

44、

45、將(16)、(17)和(18)帶入p1中，形成優(yōu)化問題p2，表示為：

46、

47、進(jìn)一步地，所述步驟3具體為：

48、采用交替迭代的思想，將式(19)所示的優(yōu)化問題分解為兩個(gè)子問題，對于bs波束成形優(yōu)化問題，采用半正定松弛技術(shù)求解；對于ris反射系數(shù)優(yōu)化問題，對其約束進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)化，之后采用連續(xù)凸近似的方法進(jìn)行求解；具體如下：

49、步驟3-1：固定ris反射系數(shù)，優(yōu)化bs預(yù)編碼；

50、固定ris反射系數(shù)phi，優(yōu)化問題表示為：

51、

52、其中忽略秩1約束c8，該優(yōu)化問題可采用半正定松弛sdr求解；當(dāng)rank(wi)＝1，則采用特征值分解獲得預(yù)編碼向量；當(dāng)rank(wi)>1，采用高斯隨機(jī)化方法獲得滿足約束條件的預(yù)編碼向量；

53、步驟3-2：固定bs預(yù)編碼，優(yōu)化ris反射系數(shù)；

54、給定預(yù)編碼向量wc、wi和vi，優(yōu)化問題表示為：

55、

56、將φ從耦合變量中分離出來，表示為：

57、

58、其中：

59、

60、通過近似方法簡化約束(c4-1)、(c4-2)和(c4-3)；根據(jù)tr(a(b⊙c))＝tr((a⊙b)c)和(c4-1)約束中左式的第一項(xiàng)和最后一項(xiàng)可表示為：

61、

62、

63、將式(26)和(27)帶入(c4-1)約束中，將(c4-1)轉(zhuǎn)換為：

64、

65、接著，等價(jià)的表示為：

66、

67、根據(jù)式(28)和式(29)，(c4-2)約束等價(jià)的表示為：

68、

69、其中

70、

71、采用在φ0點(diǎn)處的二階泰勒展開寫出式(30)的上界表達(dá)式為：

72、

73、其中是半正定矩陣，dm,k是dm,k的最大特征值；

74、由于ris的信號放大能力有限，即|φl|≤amax，的上界表示為：

75、

76、將式(34)和(36)帶入到(c4-2)約束中，轉(zhuǎn)換成(c4-2)的上界表達(dá)式為：

77、

78、半正定約束(c4-3)等效的表示為：

79、

80、其中，可等效地表示為的最小特征值。根據(jù)矩陣論中的特征值形式的weyl不等式，的下界表示為：

81、

82、將其帶入式(38)中，可進(jìn)一步地將(c4-3)約束表達(dá)為：

83、c4”-3:-xm,k,2-tr(pm,kφφh)≤0,-xm,k,2≤0????????????????(40)

84、結(jié)合式(28)、(37)和(40)，優(yōu)化問題p4'可重新表示為：

85、

86、采用連續(xù)凸逼近將p4″中所有約束中的非凸項(xiàng)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)的形式，問題p4″可重寫為：

87、

88、p5是一個(gè)凸優(yōu)化問題，能夠通過cvx進(jìn)行求解；

89、步驟3-3：通過交替迭代算法求解優(yōu)化問題p2，在每輪迭代中，固定phi，利用sdr求解預(yù)編碼向量優(yōu)化問題；其次，固定wc、wi和vi，對c1-c7約束進(jìn)行簡化，采用連續(xù)凸逼近算法求解，最后更新參變量的值進(jìn)行下一次迭代，直至最后算法收斂；具體流程如下：

90、1)設(shè)置收斂容忍度>0，迭代次數(shù)t＝1，初始化ris反射系數(shù)φ0；

91、2)給定φt-1，求解優(yōu)化問題p3，得到第t次迭代的bs波束成形結(jié)果，和

92、3)給定和多次迭代求解凸優(yōu)化問題p5，得到ris波束成形結(jié)果，φt；

93、4)更新迭代次數(shù)t＝t+1；

94、5)檢測是否收斂。若tn-tn-1≥∈，返回步驟2)，進(jìn)行下一次迭代求解；否則，返回優(yōu)化問題p1的求解結(jié)果，和φ*。

95、本發(fā)明的有益效果如下：

96、本發(fā)明在智能反射面輔助的通信感知一體化系統(tǒng)中引入了速率拆分多址接入技術(shù)，通過對基站預(yù)編碼向量和智能反射面的發(fā)射系數(shù)矩陣進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，給出了在用戶通信的安全中斷概率約束下最大化感興趣目標(biāo)方向波束增益的方案。該方法不僅保證了安全通信和感知性能的均衡，而且優(yōu)于傳統(tǒng)中采用的無源智能反射面輔助的基于空分多址接入的感知通信一體化方案。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)智能反射面輔助的安全通信感知一體化給出了參考設(shè)計(jì)方法。