一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法和装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法和装置。

背景技术

6G旨在提出更高的绩效指标，并实现“更强的绩效、更智能、更广泛的覆盖范围和更环保”的愿景，它对数据传输速率、连接数、时延等一系列指标都有更高的要求。6G的一个显著特点是它正朝着太赫兹(THz)时代发展，同时为应对对通信系统安全传输的严重威胁，从信道传播特性研究无线通信的物理层安全(PLS)逐渐成为无线安全领域的研究热点。

IRS是一种具有可编程电磁特性的二维薄层人工电磁表面，能够实时有效地调整入射电磁波的反射振幅和相位，克服自然环境中多径衰落和无线传播的负面影响；THz的可用频谱资源达到10GHz，能够满足从100Gbit/s到1Tbit/s的极高传输速率的频谱需求；NOMA能够满足未来网络的大规模连接性、低延迟和高频频谱效率，与传统的正交多址(OMA)方案相比，NOMA在单个资源块(时间/频率)中为多个用户提供服务，能够显著提高频谱效率；为缓解6G网络大规模接入带来的信息安全和功耗增加问题，建立具有IRS辅助OFDM接入的太赫兹MU-MIMO系统，使用稀疏射频链路天线结构来降低功耗，并联合优化混合预编码和相移矩阵最大化系统的权重和速率。

虽然有许多学者分别对IRS、THz传输、MU-MIMO和NOMA的优化进行研究，但现有的研究似乎缺乏对上述技术的联合优化。受这些技术优势的启发，将其集成研究以进一步提高无线系统的安全性、能效和覆盖范围具有重要的理论意义和实用价值。

本发明研究IRS辅助的多簇THzMIMO-NOMA系统的安全传输问题，在优化功率分配和IRS相移约束条件下，构建一个保密和速率最大化优化问题并提出一种高效交替迭代算法来解决原优化问题，给出一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法和装置的设计方案。

发明内容

本发明的目的是进一步提高无线系统的安全性、能效和覆盖范围，考虑窃听者存在的场景，建立一个基于IRS辅助的太赫兹MIMO-NOMA安全通信系统模型；

本发明的目的是这样实现的：一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法，它包括：

S1：考虑窃听者存在的场景，建立一个基于IRS辅助的太赫兹MIMO-NOMA安全通信系统模型；

S2:采用全连接结构和子连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，利用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；采用低复杂度的迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰；

S3：在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题；

其中，p

S4：采用泰勒级数展开和半定规划方法解耦合，将原非凸问题转化为凸问题，提出一种高效交替迭代算法，获得原问题的次优解。

所述的步骤S1具体包括：

建立一个基于IRS辅助的太赫兹NOMA安全通信系统，该系统包括一个装有N

所述的步骤S2具体包括：

本发明采用全连接和子连接两种稀疏射频链天线结构，为实现复用增益，假设簇数与射频链数相等(L＝N

其中，

用移相器设计模拟预编码时，通常需要对角元素进行量化；考虑B比特量化移相器，两种结构非零模拟预编码矩阵分别

其中，

G＝[g

然后，生成ZF预编码矩阵

归一化后，第l光束的数字预编码向量可写成

所述的步骤S3具体包括：

由于不同用户的功率分配与IRS的相移之间存在耦合，在本发明中，通过在每个波束中使用NOMA，在发射端进行波束内覆盖编码，在接收端进行SIC编码优化功率分配；在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题。

所述的步骤S4具体包括：

鉴于原问题的非凸性，本发明首先初始化反射矩阵，并采用一阶泰勒展开和半定松弛(SDR)技术将功率分配子问题转化为可处理性的凸问题；在此基础上，提出一种高效交替迭代算法，以迭代方式设计反射相移矩阵，获得原问题的次优解。

一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输装置，它包括

模型建立模块，考虑窃听者存在的场景，建立一个基于IRS辅助的太赫兹MIMO-NOMA安全通信系统模型；

混合预编码模块，采用全连接结构和子连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，利用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；采用低复杂度的迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰；

方程构造模块，在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题；

/>

其中，p

迭代求解模块，采用泰勒级数展开和半定规划方法解耦合，将原非凸问题转化为凸问题，提出一种高效交替迭代算法，获得原问题的次优解。

所述的模型建立模块具体包括：

建立一个基于IRS辅助的太赫兹NOMA安全通信系统，该系统包括一个装有N

所述的混合预编码模块具体包括：

采用子连接结构和全连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，采用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；然后采用低复杂度迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰。

所述的方程构造模块具体包括：

方程构造模块，由于不同用户的功率分配与IRS的相移之间存在耦合，在本发明中，通过在每个波束中使用NOMA，在发射端进行波束内覆盖编码，在接收端进行SIC编码优化功率分配；在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题。

所述的迭代求解模块具体包括：

迭代求解模块，鉴于原问题的非凸性，本发明首先初始化反射矩阵，并采用一阶泰勒展开和半定松弛(SDR)技术将功率分配子问题转化为可处理性的凸问题；在此基础上，提出一种高效交替迭代算法，以迭代方式设计反射相移矩阵，获得原问题的次优解。

附图说明

图1是本发明提供的一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法的结构示意图。

图2是基于IRS辅助的太赫兹NOMA安全通信的结构示意图。

图3示出比较FC和SC在不同发射功率方面的性能曲线图；

图4示出保密和速率与反射元素数量的关系曲线图；

图5示出保密能量效率与传输功率的关系曲线图；

图6是本发明提供的一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输装置的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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的实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法。其中基站(BS)采用稀疏射频链的混合预编码(HP)架构，包括FC架构和SC架构；考虑到窃听者的存在，提出一个功率分配和IRS反射矩阵的联合优化问题，最大化保密和速率。如图1所示，该方法包括步骤：

S1：考虑窃听者存在的场景，建立一个基于IRS辅助的太赫兹MIMO-NOMA安全通信系统模型；

S2:采用全连接结构和子连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，利用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；采用低复杂度的迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰；

S3：在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题；

S4：采用泰勒级数展开和半定规划方法解耦合，将原非凸问题转化为凸问题，提出一种高效交替迭代算法，获得原问题的次优解。

如图2所示，本实施例所述的方法应用于基于IRS辅助THzMIMO-NOMA系统的性能。由于THz中存在严重的路径损耗，考虑短距离通信场景，设置BS到IRS和Eve的距离分别为15m和5m。IRS到所有用户和Eve的距离为5m，每簇的用户位于半径为2m的圆圈内。在模拟中，M个用户被分组为N

其中P

表1系统仿真参数

本实施例中，步骤S1具体过程如下：

建立一个基于IRS辅助的太赫兹NOMA安全通信系统，该系统包括一个装有N

用户簇能够帮助实现NOMA系统的良好性能，假设簇的数目与射频链的数目相同(L＝N

使用HP的两种典型架构来减少THz大规模MIMO系统所需的射频链数量。对于FC结构，F

其中

使用移相器设计模拟预编码时，角元素通常需要量化。考虑到B位量化移相器，模拟非零元素预编码矩阵分别由下式给出

/>

其中，

假设所有簇头用户的等效信道增益为

G＝[g

生成ZF预编码矩阵

归一化后，第l光束的数字预编码向量可写成

第l个簇中第m个用户的接收信号为

同理，Eve接收到的信号表示为

其中，G

其中

/>

其中，

其中

此外可获得

其中

为方便起见，设β

其中

通过功率分配和相移矩阵的联合优化来最大化保密和速率，优化问题的表述如下：

其中P

A.优化功率分配

通过在每个波束中使用NOMA，在发射端进行波束内覆盖编码，在接收端进行SIC编码。在不丧失普适性的前提下，设

(29)中的B

由于对数项-log

其中

通过上述转换，将问题(28)重新看作为

s.t.(26b),(34) (35b)

当给出Θ时，能够通过应用诸如CVX工具箱等凸问题求解器来计算问题(35)。

B.求解RIS的相移

在得到所有用户的功率分配p

表示

其中(b)是通过调用恒等式a

其中，

因此，问题(28)可改写为

rank(Φ)＝1,Φ≥0(44c)

(43)(44d)忽略秩1rank(Φ)＝1后，能够通过应用CVX工具箱有效地解决该问题。一般来说，用特征值分解计算的Φ的解不一定满足秩1。然后通过标准高斯随机化恢复问题的高质量秩一解。

由上述技术方案可知，本发明提供一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输方法，在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，采用两种稀疏射频链天线结构，通过联合优化功率分配和IRS相移，最大化保密和速率。

图3比较FC和SC在不同发射功率方面的性能。无论是FC结构还是SC结构，保密和速率都随着发射功率的增加而单调增加。在相同的结构下，优化IRS相移后的保密和速率明显高于随机相移方案。同时，优化IRS的相位也能够提高波束形成增益。并且在相同条件下，FC结构下的保密和速率高于SC结构下的保密和速率。

图4给出反射元素数量对保密和速率的影响。IRS反射元素数量越多，保密和速率越高。这表明，本发明能够充分利用IRS的优点来改善信道条件，即IRS提供的空间DoF和波束形成增益将随着反射元件数量的增加而逐渐增加。同时，更多的反射元件增加了反射信号的路径数，从而为用户带来更高的波束形成增益。此外，当基站有更多天线时，能够获得更高的波束形成增益。

图5给出传输功率对保密能量效率的影响。显然，所有方案的SEE都随着发射功率的增加而缓慢下降。此外可验证，所提出的NOMA方案能够获得比具有相同HP结构的传统OMA方案更高的SEE。同时，SC结构能够实现比FC结构更高的SEE。

图6是本发明提供的一种智能反射面辅助的多簇MIMO-NOMA系统的安全传输装置的结构示意图；

模型建立模块，用于考虑窃听者存在的场景，建立一个基于IRS辅助的太赫兹MIMO-NOMA安全通信系统模型；

混合预编码模块，采用全连接结构和子连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，利用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；采用低复杂度的迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰；

方程构造模块，在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题；

/>

其中，p

(8a)是一个非凸问题，(8b)为最大发射功率约束，(8c)表示每个用户的最小可达速率要求，(8d)代表IRS相移约束；

迭代求解模块，采用泰勒级数展开和半定规划方法解耦合，将原非凸问题转化为凸问题，提出一种高效交替迭代算法，获得原问题的次优解。

本实施例中，所述的模型建立模块具体包括：

建立一个基于IRS辅助的太赫兹NOMA安全通信系统，该系统包括一个装有N

本实施例中，所述的混合预编码建立模块具体包括：

采用子连接结构和全连接结构两种稀疏射频天线结构，根据信道相关性和增益对用户分组，采用NOMA技术进行传输，挑选簇头，为发射波束成形设计基于离散相位的模拟预编码；然后采用低复杂度迫零方法设计数字预编码，消除簇间干扰。

本实施例中，所述的方程构造模块具体包括：

方程构造模块，由于不同用户的功率分配与IRS的相移之间存在耦合，在本发明中，通过在每个波束中使用NOMA，在发射端进行波束内覆盖编码，在接收端进行SIC编码优化功率分配；在系统传输功率、用户可达速率和IRS反射系数约束下，通过联合优化功率分配和IRS相移，构建保密和速率最大化优化问题。

本实施例中，所述的迭代求解模块具体包括：

迭代求解模块，鉴于原问题的非凸性，本发明首先初始化反射矩阵，并采用一阶泰勒展开和半定松弛(SDR)技术将功率分配子问题转化为可处理性的凸问题；在此基础上，提出一种高效交替迭代算法，以迭代方式设计反射相移矩阵，获得原问题的次优解。