【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及無線通信領域，具體涉及一種dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法及系統(tǒng)。
技術介紹
1、移動通信深刻變革了人們的工作與生活，極大促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展。第五代移動通信技術（5th?generation?mobile?communication?technology,?5g）的普及引發(fā)了無線終端數(shù)量的急劇增加，預示著第六代移動通信技術（6th?generation?mobilecommunication?technology,?6g）時代萬物互聯(lián)將更加蓬勃發(fā)展，為泛在智能移動產(chǎn)業(yè)提供全面支撐。據(jù)國際電信聯(lián)盟預測，至2030年，全球移動寬帶接入用戶將增至171億，同時機器類通信設備數(shù)量將達到1000億。這意味著大量高安全級別的用戶隱私信息暴露于無線傳輸環(huán)境中，面臨被惡意竊聽和篡改的風險，無線通信系統(tǒng)面臨的安全挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴峻。傳統(tǒng)的上層加密機制需要分配大量資源進行密鑰生成、分發(fā)和管理，無法適應趨向小型化、輕薄化的物聯(lián)網(wǎng)設備，因此，探索輕量化的物理層安全傳輸方法尤為重要。
2、物理層安全技術主要利用無線信道的物理特性（噪聲，衰落，和干擾等）和信號處理實現(xiàn)安全傳輸。近年來，可重構智能表面（reconfigurable?intelligent?surface,?ris）技術興起，通過調(diào)整表面大量無源和低成本的反射元件的相移來配置無線環(huán)境，智能控制信號的傳播方向。利用ris創(chuàng)建一個對合法用戶有利，對竊聽者不利的信號傳播環(huán)境，可有效地增強物理層安全傳輸。
3、在一些現(xiàn)有技術中，例如申請?zhí)枮?0241009
4、在另一些現(xiàn)有技術中，通信系統(tǒng)的實施主要考慮在基站端配置全數(shù)字天線陣列，隨著天線數(shù)量的增加，射頻鏈路會引起高昂的成本和巨大的功耗。
5、因此現(xiàn)有技術方案主要存在以下問題：1）dma輔助的通信系統(tǒng)研究尚未考慮到信息安全傳輸?shù)膯栴}；2）ris輔助的物理層安全傳輸方案目前主要考慮在基站端配置全數(shù)字天線陣列，隨著天線數(shù)量的增加，射頻鏈路會引起高昂的成本和巨大的功耗。
技術實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術的不足，本專利技術提出了一種dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法及系統(tǒng)。
2、本專利技術的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：
3、本專利技術的第一方面，涉及一種dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，包括以下步驟：
4、基于含有基站、用戶與竊聽者的傳輸系統(tǒng)模型，構建包含有dma權重矩陣的dma模型、包含有ris相移矩陣的ris模型、信道模型，以及表征各信道容量的通信模型；所述系統(tǒng)模型中，基站配置有dma陣列，基站與用戶之間設置ris以提供反射鏈路；
5、通過聯(lián)合優(yōu)化波束形成向量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，在最大發(fā)射功率約束、相移單位模約束和相移洛倫茲約束下，構建最大限度地提高保密容量的優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型與約束條件；
6、運用塊坐標下降法將所述優(yōu)化問題劃分為波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題；
7、波束形成向量優(yōu)化的子問題中，ris相移矩陣和dma權重矩陣固定，ris相移矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和dma權重矩陣固定；dma權重矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和ris相移矩陣固定；
8、每次迭代中，按照任意順序，求解所述波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題，每次求解得到的波束形成向量、ris相移矩陣或dma權重矩陣的優(yōu)化結果作為更新值帶入下一子問題的優(yōu)化中；迭代直至收斂。
9、可選地，所述信道模型中，引入瑞利衰落模型對信道進行建模，推導出保密容量。
10、可選地，所述波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題中的目標函數(shù)與約束條件通過連續(xù)凸逼近算法轉(zhuǎn)換為凸形式；
11、所述ris相移矩陣優(yōu)化的子問題采用主元-極大化算法求解。
12、可選地，通過恒幅方法將所述相移洛倫茲約束放松為具有恒幅和任意相位的純相位權重約束。
13、可選地，所述迭代具體包括以下步驟：
14、根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定波束形成向量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，計算保密容量，并計算優(yōu)化的松弛變量；
15、根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，計算優(yōu)化的波束形成向量；
16、根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、dma權重矩陣和優(yōu)化的波束形成向量，計算優(yōu)化的ris相移矩陣；
17、根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、優(yōu)化的波束形成向量和優(yōu)化的ris相移矩陣，計算優(yōu)化的dma權重矩陣。
18、本專利技術的第二方面，涉及一種dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信系統(tǒng)，包括：
19、基站，配置有dma陣列；
20、ris，設置在用戶與基站之間，用于提供反射鏈路；
21、基礎模型構建模塊，用于構建包含有dma權重矩陣的dma模型、包含有ris相移矩陣的ris模型、信道模型，以及表征各信道容量的通信模型；
22、優(yōu)化問題構建模塊，用于構建通過聯(lián)合優(yōu)化波束形成向量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，在最大發(fā)射功率約束、相移單位模約束和相移洛倫茲約束下，最大限度地提高保密容量的優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型與約束條件；
23、塊坐標下降算法模塊，通過塊坐標下降法將所述優(yōu)化問題劃分為波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題；波束形成向量優(yōu)化的子問題中，ris相移矩陣和dma權重矩陣固定；ris相移矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和dma權重矩陣固定；dma權重矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和ris相移矩陣固定；
24、以及，子問題求解模塊，按照任意順序，求解所述波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題，每次求解得到的波束形成向量、ris相移矩陣或dma權重矩陣的優(yōu)化結果作為更新值帶入下一子問題的優(yōu)化中；迭代直至收斂。
25、可選地，所述信道模型中，引入瑞利衰落模型對信道進行建模，推導出保密容量。
26、可選地，通過恒幅方法將所述相移洛倫茲約束放松為具有恒幅和任意相位的純相位權重約束。
27、可選地，所述迭代具體包括以下步驟：
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【技術保護點】
1.一種DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信方法，其特征在于，包括以下步驟：基于含有基站、用戶與竊聽者的傳輸系統(tǒng)模型，構建包含有DMA權重矩陣的DMA模型、包含有RIS相移矩陣的RIS模型、信道模型，以及表征各信道容量的通信模型；所述系統(tǒng)模型中，基站配置有DMA陣列，基站與用戶之間設置RIS以提供反射鏈路；通過聯(lián)合優(yōu)化波束形成向量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，在最大發(fā)射功率約束、相移單位模約束和相移洛倫茲約束下，構建最大限度地提高保密容量的優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型與約束條件；運用塊坐標下降法將所述優(yōu)化問題劃分為波束形成向量優(yōu)化、RIS相移矩陣優(yōu)化和DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題；波束形成向量優(yōu)化的子問題中，RIS相移矩陣和DMA權重矩陣固定，RIS相移矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和DMA權重矩陣固定；DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和RIS相移矩陣固定；每次迭代中，按照任意順序，求解所述波束形成向量優(yōu)化、RIS相移矩陣優(yōu)化和DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題，每次求解得到的波束形成向量、RIS相移矩陣或DMA權重矩陣的優(yōu)化結果作為更新值帶入下一子問題的優(yōu)化中；迭代直至收斂
2.根據(jù)權利要求1所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信方法，其特征在于，所述信道模型中，引入瑞利衰落模型對信道進行建模，推導出保密容量。
3.根據(jù)權利要求1所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信方法，其特征在于，所述波束形成向量優(yōu)化、RIS相移矩陣優(yōu)化和DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題中的目標函數(shù)與約束條件通過連續(xù)凸逼近算法轉(zhuǎn)換為凸形式；所述RIS相移矩陣優(yōu)化的子問題采用主元-極大化算法求解。
4.根據(jù)權利要求1所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信方法，其特征在于，通過恒幅方法將所述相移洛倫茲約束放松為具有恒幅和任意相位的純相位權重約束。
5.根據(jù)權利要求1所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信方法，其特征在于，所述迭代具體包括以下步驟：根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定波束形成向量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，計算保密容量，并計算優(yōu)化的松弛變量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，計算優(yōu)化的波束形成向量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、DMA權重矩陣和優(yōu)化的波束形成向量，計算優(yōu)化的RIS相移矩陣；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、優(yōu)化的波束形成向量和優(yōu)化的RIS相移矩陣，計算優(yōu)化的DMA權重矩陣。
6.一種DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信系統(tǒng)，其特征在于，包括：基站，配置有DMA陣列；RIS，設置在用戶與基站之間，用于提供反射鏈路；基礎模型構建模塊，用于構建包含有DMA權重矩陣的DMA模型、包含有RIS相移矩陣的RIS模型、信道模型，以及表征各信道容量的通信模型；優(yōu)化問題構建模塊，用于構建通過聯(lián)合優(yōu)化波束形成向量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，在最大發(fā)射功率約束、相移單位模約束和相移洛倫茲約束下，最大限度地提高保密容量的優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型與約束條件；塊坐標下降算法模塊，通過塊坐標下降法將所述優(yōu)化問題劃分為波束形成向量優(yōu)化、RIS相移矩陣優(yōu)化和DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題；波束形成向量優(yōu)化的子問題中，RIS相移矩陣和DMA權重矩陣固定；RIS相移矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和DMA權重矩陣固定；DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和RIS相移矩陣固定；以及，子問題求解模塊，按照任意順序，求解所述波束形成向量優(yōu)化、RIS相移矩陣優(yōu)化和DMA權重矩陣優(yōu)化的子問題，每次求解得到的波束形成向量、RIS相移矩陣或DMA權重矩陣的優(yōu)化結果作為更新值帶入下一子問題的優(yōu)化中；迭代直至收斂。
7.根據(jù)權利要求6所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信系統(tǒng)，其特征在于，所述信道模型中，引入瑞利衰落模型對信道進行建模，推導出保密容量。
8.根據(jù)權利要求6所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信系統(tǒng)，其特征在于，通過恒幅方法將所述相移洛倫茲約束放松為具有恒幅和任意相位的純相位權重約束。
9.根據(jù)權利要求6所述的DMA及RIS聯(lián)合輔助的MIMO安全通信系統(tǒng)，其特征在于，所述迭代具體包括以下步驟：根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定波束形成向量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，計算保密容量，并計算優(yōu)化的松弛變量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、RIS相移矩陣和DMA權重矩陣，計算優(yōu)化的波束形成向量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、DMA權重矩陣和優(yōu)化的波束形成向量，計算優(yōu)化的RIS相移矩陣；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、優(yōu)化的波束形成向量和優(yōu)化的RIS相移矩陣，計算優(yōu)化的...
【技術特征摘要】
1.一種dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，其特征在于，包括以下步驟：基于含有基站、用戶與竊聽者的傳輸系統(tǒng)模型，構建包含有dma權重矩陣的dma模型、包含有ris相移矩陣的ris模型、信道模型，以及表征各信道容量的通信模型；所述系統(tǒng)模型中，基站配置有dma陣列，基站與用戶之間設置ris以提供反射鏈路；通過聯(lián)合優(yōu)化波束形成向量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，在最大發(fā)射功率約束、相移單位模約束和相移洛倫茲約束下，構建最大限度地提高保密容量的優(yōu)化問題，建立優(yōu)化模型與約束條件；運用塊坐標下降法將所述優(yōu)化問題劃分為波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題；波束形成向量優(yōu)化的子問題中，ris相移矩陣和dma權重矩陣固定，ris相移矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和dma權重矩陣固定；dma權重矩陣優(yōu)化的子問題中，波束形成向量和ris相移矩陣固定；每次迭代中，按照任意順序，求解所述波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題，每次求解得到的波束形成向量、ris相移矩陣或dma權重矩陣的優(yōu)化結果作為更新值帶入下一子問題的優(yōu)化中；迭代直至收斂。
2.根據(jù)權利要求1所述的dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，其特征在于，所述信道模型中，引入瑞利衰落模型對信道進行建模，推導出保密容量。
3.根據(jù)權利要求1所述的dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，其特征在于，所述波束形成向量優(yōu)化、ris相移矩陣優(yōu)化和dma權重矩陣優(yōu)化的子問題中的目標函數(shù)與約束條件通過連續(xù)凸逼近算法轉(zhuǎn)換為凸形式；所述ris相移矩陣優(yōu)化的子問題采用主元-極大化算法求解。
4.根據(jù)權利要求1所述的dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，其特征在于，通過恒幅方法將所述相移洛倫茲約束放松為具有恒幅和任意相位的純相位權重約束。
5.根據(jù)權利要求1所述的dma及ris聯(lián)合輔助的mimo安全通信方法，其特征在于，所述迭代具體包括以下步驟：根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定波束形成向量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，計算保密容量，并計算優(yōu)化的松弛變量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、ris相移矩陣和dma權重矩陣，計算優(yōu)化的波束形成向量；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、dma權重矩陣和優(yōu)化的波束形成向量，計算優(yōu)化的ris相移矩陣；根據(jù)所述優(yōu)化模型，給定優(yōu)化的松弛變量、優(yōu)化的波束...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：胡欣岳，張心媛，劉思雨，劉常鵬，張家明，張鈺，
申請(專利權)人：安徽大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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