一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法。

背景技术

现有的对于智能反射面通信系统物理层安全的研究，主要针对通信下行链路，存在窃听者的场景中实现信息的安全传输，可参见文献W.L.Dong and H.Wang,"EnhancingSecure MIMO Transmission via Intelligent Reflecting Surface,"in IEEETransactions on Wireless Communications,doi:10.1109/TWC.2020.3012721，主要目标是在智能反射面的辅助下最大化系统的保密速率，如通过联合优化、增加人工噪声、波束成型等技术。但是在上行链路中，通信过程同样会受到干扰者的威胁，如干扰者通过发送干扰信号影响上行链路的信道估计，因而对于干扰者的检测也应该受到关注。

智能反射面通信系统进行干扰检测将会面临如下两个问题：第一个是对信道状态信息的依赖性。由于无线信道的开放特性，干扰者通过在导频阶段发送干扰信号，阻碍了基站对于可信信道状态信息的获取；另一个是智能反射面作为无源器件，仅通过部署的反射元素对信号以一定的角度进行反射，无论是在干扰检测还是信道估计过程中，反射角度都会产生影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法，区别于传统有源中继的攻击检测，以解决无源器件--智能反射面是否遭受到恶意导频攻击的检测问题，使其能够应用在含有导频攻击的智能反射面无线通信场景中，且不依赖于确切的信道状态信息完成对于导频攻击的检测，确保通信的安全性。

本发明提出的智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法，包括以下步骤：

(1)设定通信系统中有一个基站，该基站有M根天线，一个用户，该用户有一个天线，以及一个具有N个反射元素的智能反射面，并设定通信系统存在一个单天线的干扰者，用户和干扰者与基站之间的直传信道被障碍物阻断，基站接收经过智能反射面反射的来自合法用户的导频信号和干扰者的干扰信号，并将接收信号投影到智能反射面的反射角度变换向量集合上，具体包含以下步骤：

(1-1)第i个帧中，用户和干扰者分别向通信系统中的基站以功率P

(1-2)设定用户在第1个帧内发送的导频信号序列

(1-3)在第i个帧中，基站接收到经过智能反射面反射后的合法用户和干扰者的导频信号序列，将接收到的导频信号序列记为：

其中，q

(1-4)基站将接收到的步骤(2)的导频信号序列投影到智能反射面的反射角度变换向量集合Ψ上，得到投影后的信号：

其中，

(2)重复步骤(1)，经过b个帧后，基站得到b个投影信号序列

其中，v

对上述点乘后的信号进行幅值上的合并，得到导频干扰检测信号，记为

其中，

(3)对上述步骤(2)的智能反射面通信系统中的导频干扰检测信号进行检测，步骤如下：

(3-1)构造一个导频干扰的检测区域r(z

其中，

(3-2)从PSK符号集合A中的第一个符号a

其中，real()表示求实部运算，imag()表示求虚部运算；

定义一个差值函数f(x)＝d(x)

(3-3)对导频干扰检测信号

(3-4)对上述中间变量序列中0和1的个数进行比较，当导频干扰检测信号的个数b-1为奇数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，当导频干扰检测信号的个数b-1为偶数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，若1的个数等于0的个数，则判定此次通信系统中导频干扰检测无效，完成对智能反射面通信系统中导频干扰的检测。

本发明提出的一种智能反射面通信系统中面向导频攻击的检测方法，其优点是：

本发明方法能够应用在含有导频攻击的智能反射面无线通信系统中，解决通信过程中智能反射面是否遭到导频干扰的检测问题，本发明方案一方面解决了智能反射面的反射角度在干扰检测中的影响，并可衔接于后续通信系统的信道估计；另一方面方案本发明方法的实施不依赖于确切的信道状态信息就可以完成导频干扰检测，保证了通信系统的安全性。

附图说明

图1是本发明方法涉及的智能反射面通信系统的场景图。

图2是本发明方法的流程框图。

图3是本发明实施例中，分别在4psk、8psk、16psk和64psk时，方案的误检测率与信噪比(SNR)的关系示意图。其中基站配备了256根天线，利用的检测信号个数为4个。

图4是本发明实施例中，在8psk、16psk时，方案的误检测率与总发送的信号符号数量的关系示意图。这里总发送信号符号的数量指的是帧的数量乘以每个帧内发送的符号数量L。

图5是本发明实施例中，天线数量M＝256和M＝512时，传统不执行干扰检测的信道估计与执行完本发明提出的干扰检测方案后的信道估计的性能比较示意图。

具体实施方式

本发明提出的智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)设定通信系统中有一个基站，该基站有M根天线，一个用户，该用户有一个天线，以及一个具有N个反射元素的智能反射面(IRS)，并设定通信系统存在一个单天线的干扰者，用户和干扰者与基站之间的直传信道被障碍物阻断，基站接收经过智能反射面反射的来自合法用户的导频信号和干扰者的干扰信号，并将接收信号投影到智能反射面的反射角度变换向量集合上，具体包含以下步骤：

(1-1)第i个帧中，用户和干扰者分别向通信系统中的基站以功率P

(1-2)设定用户在第1个帧内发送的导频信号序列

(1-3)在第i个帧中，基站接收到经过智能反射面反射后的合法用户和干扰者的导频信号序列，将接收到的导频信号序列记为：

其中，q

(1-4)基站将接收到的步骤(2)的导频信号序列投影到智能反射面的反射角度变换向量集合Ψ上，得到投影后的信号：

其中，

(2)重复步骤(1)，经过b个帧后，基站得到b个投影信号序列

其中，v

对上述点乘后的信号进行幅值上的合并，得到导频干扰检测信号，记为

其中，

(3)由步骤(2)可知，当干扰者不发动攻击时，检测信号

(3-1)构造一个导频干扰的检测区域r(z

其中，

(3-2)从PSK符号集合A中的第一个符号a

其中，real()表示求实部运算，imag()表示求虚部运算；

定义一个差值函数f(x)＝d(x)

(3-3)对导频干扰检测信号

(3-4)对上述中间变量序列中0和1的个数进行比较，当导频干扰检测信号的个数b-1为奇数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，当导频干扰检测信号的个数b-1为偶数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，若1的个数等于0的个数，则判定此次通信系统中导频干扰检测无效，完成对智能反射面通信系统中导频干扰的检测。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图详细介绍本发明的内容：

介绍本发明的应用场景：如图1所示，智能反射面(Intelligent ReflectingSurface,IRS)辅助下的通信系统，基站通过IRS链路接收用户导频信息，同时有干扰者也向IRS发送导频干扰信息。用户和干扰者到基站的直传链路被障碍物阻挡。由于基站同时收到用户和干扰者的导频信息，对其到用户之间信道估计的能力下降。信道状态未知。本发明的实施条件如下

信道处于平衰落状态，即信道状态在b时隙内保持不变。

参见图2，介绍本发明的具体实施步骤。为了展示和验证本发明方法改进的实用性能，本发明进行了多次仿真实施实验。实验中，用户和干扰者都配置单天线，采用PSK的调制方式。基站配置多天线。仿真结果如图3和图4所示，图3和图4分别展示了所提发明方法在多种PSK的调制方式下，系统性能与信噪比和总发送的符号数量之间的关系。另外，图5展示了在存在干扰者的通信系统中，传统的不执行干扰检测的信道估计和执行完所提干扰检测方案后的信道估计的性能对比。

图3中的横坐标为信噪比(Signal Noise Ratio，SNR),纵坐标为误检测率(FalseDetection Probability,FDP)。说明了随着SNR的增加，系统的误检测率降低，并逐渐趋近于0。图4中的横坐标为发送信号符号总数(Bits),纵坐标为FDP。说明了随着符号数的增加，系统的误检测率降低，并在发送符号数为80和96时，误检测率的性能变化趋于平缓，并逐渐接近于0。

图5是本发明实施例中，天线数量M＝256和M＝512时，传统不执行干扰检测的信道估计与执行完本发明提出的干扰检测方案后的信道估计的性能比较示意图。可以看到，执行完干扰检测后，信道估计的准确性提高，并且随着天线数量的增加，信道估计性能也有所改善。