本發明專利技術提供一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法及系統，屬于無線通信技術領域，所述方法包括：構建安全通信場景；所述安全通信場景中包括混合接入點、用戶以及竊聽者；將智能超表面部署于所述安全通信場景中，以重新配置用戶與混合接入點的無線信道；設置智能超表面的多種不同的相移設計，分別計算在每種相移設計下的用戶的遍歷保密容量；將每種相移設計下的遍歷保密容量與完美連續相移設計下的遍歷保密容量進行比較，從多種相移設計中確定出智能超表面的最優相移設計。本申請分析了安全通信場景中智能超表面的不同相移設計對用戶遍歷保密容量的影響，并確定了不同相移設計下關鍵參數對系統的影響。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無線通信，尤其涉及一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法及系統。
技術介紹
1、智能超表面（reconfigurable?intelligent?surface），又稱智能反射表面，是由大量無源元件組成的陣列，可以重新塑造無線傳播環境，并通過控制信號的振幅和相位來獨立反射信號，從而提高通信質量和連接性。每個組件都由功耗較小且由集成電子器件進行電子控制的電磁材料制成。此外，注意到與無線通信中使用的傳統中繼技術的關鍵區別在于，智能超表面是被動地反射信號，不需要專用的能源。
2、由于近年來微波無線功率傳輸和射頻能量采集技術的進步，無線供電通信（wireless?powered?communication）和同步無線信息與功率傳輸（simultaneouswireless?information?and?power?transfer）技術應運而生并迅速發展。其中，同步無線信息與功率傳輸通過在下行鏈路中同時疊加信息和功率傳輸，可在頻譜效率、時延、能耗和干擾管理等方面實現顯著改善；而無線供電通信則采用“收集-傳輸”（harvest-then-transmit）協議，實現信息的正向傳輸和能量的反向傳輸。與傳統的電池供電通信系統相比，無線供電通信系統無需頻繁地人工給電池充電，具有降低運營成本、控制電力傳輸和延長設備使用壽命等優點。目前，將智能超表面應用于同步無線信息與功率傳輸和無線供電通信因其結合兩種技術的優勢已經引起了廣泛關注，這就是智能超表面輔助同步無線信息與功率傳輸和智能超表面輔助無線供電通信。
3、另一方面，由于無線通信的廣播性質，很難屏蔽傳輸信號以防止竊聽。換言之，只要竊聽者進入發射節點的發射覆蓋區域，就很容易竊聽到該區域內發生的無線通信會話。安全通信的主要目的是使合法用戶能夠成功獲取基站發送的信息，而竊聽者卻無法解讀這些信息。物理層安全（physical?layer?security）傳輸技術，從信息論的角度出發，無需借助加密密鑰即可通過無線信道實現安全通信，抵御竊聽攻擊，其基本原理是利用噪聲和通信信道固有的隨機性限制信息量，可有效防止竊聽攻擊，是上層加密方法的補充甚至替代。
4、如上所述，現有技術多專注于智能超表面輔助無線供電通信系統的各種應用，很少關注智能超表面輔助無線供電通信系統的物理層安全。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法，分析了安全通信場景中智能超表面的不同相移設計對用戶遍歷保密容量的影響，并研究了不同相移設計下關鍵參數對系統的影響。
2、第一方面，本專利技術提供一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法，包括：構建安全通信場景；所述安全通信場景中包括混合接入點、用戶以及竊聽者；將智能超表面部署于所述安全通信場景中，以重新配置用戶與混合接入點的無線信道；其中，所述智能超表面包括n個反射元件，通過所述反射元件建立所述混合接入點和用戶與所述智能超表面的多條無線信道；設置智能超表面的多種不同的相移設計，分別計算在每種相移設計下的用戶的遍歷保密容量；將每種相移設計下的遍歷保密容量與完美連續相移設計下的遍歷保密容量進行比較，從多種相移設計中確定出智能超表面的最優相移設計；其中，所述完美連續相移設計為智能超表面的相移與信道的相移完全相互抵消的相移設計。
3、根據本專利技術提供的安全通信方法，多種相移設計包括：不完美連續相移設計、不完美離散相移設計和完美離散相移設計；
4、其中，不完美連續相移設計為智能超表面的相移與信道的相移不能完全相互抵消的相移設計；
5、不完美離散相移設計為從預設集合中隨機選擇智能超表面的相移的設計；所述預設集合為：
6、
7、完美離散相移設計為從預設集合中選擇相移以使得智能超表面的相移與信道的相移之和取得最小值的相移設計；
8、其中，表示不完美離散相移設計下的智能超表面第n個反射元件的相移，
b表示反射元件的相移器的分辨率，表示總的相位級數。
9、根據本專利技術提供的安全通信方法，從多種相移設計中確定出智能超表面的最優相移設計，包括：從多種相移設計的遍歷保密容量中確定出與完美連續相移設計下的遍歷保密容量最接近的目標遍歷保密容量；將所述目標遍歷保密容量對應的相移設計作為最優相移設計。
10、根據本專利技術提供的安全通信方法，所述不完美連續相移設計下的智能超表面的相移與信道的相移之和符合參數為的均勻分布；
11、所述完美離散相移設計下的智能超表面的相移與信道的相移之和符合參數為的均勻分布。
12、根據本專利技術提供的安全通信方法，計算在當前相移設計下的用戶的遍歷保密容量，包括：基于當前相移設計下的混合接入點的接收信號的信噪比與竊聽者的接收信號信噪比，計算用戶的遍歷保密容量。
13、根據本專利技術提供的安全通信方法，混合接入點的接收信號的信噪比的計算方法包括：根據用戶的發射能量、智能超表面的當前相移設計、智能超表面矩陣、混合接入點與智能超表面之間的信道矩陣、用戶與智能超表面之間的信道矩陣，計算混合接入點接收信號的信噪比。
14、根據本專利技術提供的安全通信方法，所述竊聽者的接收信號的信噪比的計算方法包括：根據用戶的發射功率、智能超表面與竊聽者之間的信道矩陣、智能超表面矩陣、用戶與智能超表面之間的信道矩陣、用戶通過智能超表面的第n個反射元件到竊聽者的路徑損耗，計算竊聽者接收信號的信噪比；其中，1≤n≤n，n為正整數。
15、根據本專利技術提供的安全通信方法，所述發射能量與用戶的在通信過程中的第一時間段內采集到能量大小相同，計算方法包括：在通信過程中的第一時間段內，所述混合接入點通過智能超表面發送能量給用戶，根據所述混合接入點發射的信號功率、混合接入點通過智能超表面的第n個反射元件到用戶的路徑損耗、智能超表面的當前相移設計、智能超表面矩陣、用戶與智能超表面之間的信道矩陣以及混合接入點與智能超表面之間的信道矩陣，計算用戶采集的能量；其中，1≤n≤n，n為正整數。
16、根據本專利技術提供的安全通信方法，用戶的發射功率的計算方法包括：在通信過程中第一時間段之后的第二時間段內，用戶利用采集到的能量將信息通過智能超表面傳輸給混合接入點，計算得到用戶的發射功率。
17、根據本專利技術提供的安全通信方法，還包括：改變所述混合接入點的發射功率，分別計算所述每種相移設計下的用戶遍歷保密容量，以確定每種相移設計下的最優的發射功率；改變所述智能超表面的反射元件數量，分別計算所述不同相移設計下的用戶遍歷保密容量，以確定每種相移設計下的最優的反射元件數量。
18、根據本專利技術提供的安全通信方法，所述混合接入點為能量站與接入點的集成。
19、第二方面，本專利技術還提供基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信系統，所述系統包括理論通信系統和多種通信子系統；其中，理論通信系統和多種通信子系統均包括用戶、混合接入本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，多種相移設計包括：不完美連續相移設計、不完美離散相移設計和完美離散相移設計；
3.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，從多種相移設計中確定出智能超表面的最優相移設計，包括：
4.根據權利要求2所述的安全通信方法，其特征在于，所述不完美連續相移設計下的智能超表面的相移與信道的相移之和符合參數為的均勻分布；和/或，
5.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，計算在當前相移設計下的用戶的遍歷保密容量，包括：
6.根據權利要求5所述的安全通信方法，其特征在于，混合接入點的接收信號的信噪比的計算方法包括：
7.根據權利要求6所述的安全通信方法，其特征在于，所述發射能量與用戶的在通信過程中的第一時間段內采集到能量大小相同，計算方法包括：
8.根據權利要求7所述的安全通信方法，其特征在于，用戶的發射功率的計算方法包括：
9.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，還包括：
10.一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信系統，其特征在于，所述系統包括理論通信系統和多種通信子系統；其中，理論通信系統和多種通信子系統均包括用戶、混合接入點以及智能超表面；并且，不同通信子系統的智能超表面所采取的相移設計不同，所述理論通信系統的智能超表面采用的相移設計為完美連續相移設計；
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【技術特征摘要】
1.一種基于不同相移設計的智能超表面輔助安全通信方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，多種相移設計包括：不完美連續相移設計、不完美離散相移設計和完美離散相移設計；
3.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，從多種相移設計中確定出智能超表面的最優相移設計，包括：
4.根據權利要求2所述的安全通信方法，其特征在于，所述不完美連續相移設計下的智能超表面的相移與信道的相移之和符合參數為的均勻分布；和/或，
5.根據權利要求1所述的安全通信方法，其特征在于，計算在當前相移設計下的用戶的遍歷保密容量，包括：
6.根據權利要求5所述的安全通信方法，其特征在于，混合...
【專利技術屬性】
技術研發人員：曹堃銳，陳京渝，丁海洋，唐斯衛，遲皓聯，王曉峰，屈亞運，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科技大學，
類型：發明
國別省市：
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