1.本发明涉及一种无线移动通信技术领域，特别是关于一种安全传输通信系统。
背景技术：2.5g发展的核心驱动力之一是物联网，物联网能够支持系统中大量接入设备的通信传输，包括在工业车间、智能家居、无人驾驶等场景中对数据和模型的海量信息交互。然而，物联网场景下除了对系统中接入设备的传输速率有一定的要求，传输的安全性同样需要被关注。尤其在接入设备数量较大的场景下，传输的安全性显得更加重要，这是因为随着接入设备更加密集，不同设备与基站之间的信道相似性变强，使得临近设备的窃听成功概率加大。因此，在保证传输过程中速率不断提升的同时，还需要能够尽可能降低临近窃听设备的速率，在通信的物理层实现安全传输。
技术实现要素：3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种安全传输通信系统，其可以实现更高的保密速率，为物联网等场景下需要设备间高速安全传输提供了参考设计方案。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种安全传输通信系统，其包括：用户，包括希望接收传输数据的单天线用户以及可能对数据窃听的单天线窃听者；基站，用于向用户传输数据，同时经aris反射发送数据至用户；aris，对来自基站的入射信号的幅度和相位进行调节后，将其反射给用户。
5.进一步，所述基站与所述aris通过中央控制器相连接。
6.进一步，所述基站根据与所述用户之间的信道状态信息控制所述aris对信号幅度和相位的调节。
7.进一步，所述aris对信号的幅度和相位进行调节为：通过对信号的幅度乘以某个实数实现幅度的变化，对信号的相位加上某个实数实现相位的变化，该调节在数学上标示为aris预编码矩阵。
8.进一步，设定所述基站与所述用户之间的保密速率r为用户传输速率与窃听者传输速率之差，构建保密速率最大化问题，求解该最大化问题得到最大的保密速率。
9.进一步，所述保密速率r为：
[0010][0011]
其中，表示基站和用户之间的信道，表示基站和窃听者之间的信道；表示aris和用户之间的信道，表示aris和窃听者之间的信道，上标h表示矩阵的共轭转置；表示基站和aris之间的信道；表示基站和aris之间的信道；表示aris引入的噪声，满足足表示高斯分布，0表示全为0的向量，i表示单位阵，表示aris引入的噪声噪声的能量；和和分别表示用户和窃听者接收的噪声，σ2表示
用户和窃听者噪声的能量；ψ为aris预编码矩阵；w为基站预编码向量。
[0012]
进一步，所述保密速率最大化问题为：
[0013][0014]
s.t.c1:‖w‖2≤p
bs
[0015][0016][0017]
其中，c1是基站的功率约束，p
bs
表示基站的最大功率，c2是aris的功率约束，其中aris的功率包含放大信号消耗的‖ψgw‖2以及放大噪声消耗的c3是aris本身对信号幅度和相位调控的约束；p
aris
表示aris的最大功率，ψn表示向量ψ的第n个元素。
[0018]
进一步，采用联合预编码方法求解所述最大化问题。
[0019]
进一步，所述联合预编码方法包括：
[0020]
将保密速率最大化问题转化为一个关于aris预编码矩阵和基站预编码向量的分式型优化问题；
[0021]
固定aris预编码矩阵不变，更新基站预编码向量至最优；
[0022]
固定基站预编码向量不变，更新aris预编码矩阵至最优；
[0023]
重复更新基站预编码向量及aris预编码矩阵，直至保密速率最大化问题收敛，得到二者的联合最优解。
[0024]
进一步，所述保密速率最大化问题收敛的条件为：相邻两次基站预编码向量或相邻两次aris预编码矩阵更新后，保密速率r的值变化不超过预先设定值。
[0025]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0026]
本发明提供了aris辅助的安全传输通信系统，并建模了此系统的信号模型，建模了此系统下的保密速率最大化问题，并提出了基于迭代优化算法的低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案。相比传统没有部署aris的通信系统，本发明所提出的低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案可以实现更高的保密速率，为物联网等场景下需要设备间高速安全传输提供了参考设计方案。
附图说明
[0027]
图1是本发明一实施例中的aris结构示意图；
[0028]
图2是本发明一实施例中的aris辅助的安全传输通信系统示意图；
[0029]
图3是本发明一实施例中的安全传输通信系统相比传统通信系统保密速率提升的仿真结果。
具体实施方式
[0030]
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的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0032]
在接入设备数量较大的场景下，传输的安全性显得更加重要，这是因为随着接入设备更加密集，不同设备与基站之间的信道相似性变强，使得临近设备的窃听成功概率加大。因此，在保证传输过程中速率不断提升的同时，还需要能够尽可能降低临近窃听设备的速率，在通信的物理层实现安全传输。本发明要解决的问题是：1、建立基于aris的安全传输通信系统；2、在此安全传输通信系统下，提出一种低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案。
[0033]
为了能够解决上述安全传输问题，本发明在系统中引入有源智能超表面(active reconfigurable intelligent surface，aris)这一技术。如图1所示，aris是一种由大量单元构成的平面阵列，其每个单元集成了功放电路和相移电路，因此可以对入射信号的幅度和相位进行独立的调控并将其反射出去，使得信号可以灵活改变传播的方向，等效地可以认为aris能够重构无线信道，实现了一种从被动适应信道到主动改善信道的范式。
[0034]
本发明提供一种安全传输通信系统，其由基站和用户构成的通信网络中引入aris，使用aris增加对通信系统安全传输控制的自由度来提高传输安全性。具体的，本发明提出了aris辅助的安全传输通信系统，并建模了此系统的信号模型，建模了此系统下的保密速率最大化问题，并提出了基于迭代优化算法的低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案。仿真结果表明，相比传统没有部署aris的通信系统，本发明所提出的低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案可以实现更高的保密速率，为物联网等场景下需要设备间的高速安全传输提供了参考设计方案。下面进行详细说明。
[0035]
在本发明的一个实施例中，提供一种安全传输通信系统。本实施例中，如图2所示，其中基站和aris可以通过联合预编码设计方法使得用户接收到的传输速率与窃听者接收到的传输速率之差尽可能大，其核心在于基站和aris的联合预编码设计，使得不仅能够提升用户的传输速率，还能降低窃听者的传输速率，这也得益于aris能够对信道进行重构，改变本来非常相近的基站-用户信道和基站-窃听者信道。同时，为了能够提升aris的调控自由度，aris的单元数通常非常大，这使得系统设计的难度也随之变大。因此，本发明的目标是在aris辅助的安全传输系统中设计出一种低复杂度安全传输通信系统联合预编码方案。
[0036]
具体的，安全传输通信系统包括：
[0037]
用户，包括希望接收传输数据的单天线用户以及可能对数据窃听的单天线窃听者；
[0038]
基站，用于向用户传输数据，同时经aris反射发送数据至用户；
[0039]
aris，对来自基站的入射信号的幅度和相位进行灵活的调节后，将其反射给用户。
[0040]
使用时，本发明的安全传输通信系统可以尽可能防止窃听者获取基站传输给用户的数据。
[0041]
上述实施例中，基站上设置有m根天线，基站可以通过信道估计技术获取基站、用户与aris之间的信道，基站具备一定的信号处理能力，可以通过中央控制器发送信号的幅度和相位。
[0042]
上述实施例中，aris内部署了n个单元，aris的实现方式有多种，包括但不限于基
于pin二极管的设计、基于电容电感谐振电路的设计等。
[0043]
上述实施例中，基站与aris通过一个中央控制器相连接，基站可以根据与用户之间的信道状态信息控制aris对信号幅度和相位的调节。其中，中央控制器的实现方式有多种，包括但不限于有线连接的cpu、无线连接的控制单元等。
[0044]
其中，aris可以对信号的幅度和相位进行调节，通过对信号的幅度乘以某个实数实现幅度的变化，对信号的相位加上某个实数实现相位的变化，这种调节可以在数学上标示为aris的预编码矩阵。
[0045]
aris预编码矩阵为对角阵：
[0046]
ψ＝diag(ψ)＝θa,
[0047]
其中，diag(
·
)表示对角化算符；为对角阵，其对角线第n个元素θn表示aris第n个单元对信号的相移，满足|θn|＝1，的第n个元素an表示aris第n个单元对信号的放大系数，满足an》0，其中表示复数集合，表示实数集合。
[0048]
假设基站发送归一化符号为s，满足(表示期望运算，[
·
]
*
表示复数的共轭)，基站预编码向量w为复数向量，它满足功率约束‖w‖2≤p
bs
(‖
·
‖2表示向量的模长或者矩阵的frobenius范数，p
bs
表示基站的最大功率)，则用户接收到的信号yu和窃听者接收到的信号ye分别为：
[0049][0050][0051]
其中，表示基站和用户之间的信道，表示基站和窃听者之间的信道；表示aris和用户之间的信道，表示aris和窃听者之间的信道，上标h表示矩阵的共轭转置；表示基站和aris之间的信道；表示aris引入的噪声，满足足表示高斯分布，0表示全为0的向量，i表示单位阵，表示aris引入的噪声的能量；和分别表示用户和窃听者接收的噪声，σ2表示用户和窃听者接收噪声的能量。
[0052]
上述实施例中，设定基站与用户之间的保密速率r为用户传输速率与窃听者传输速率之差，构建保密速率最大化问题，求解该最大化问题得到最大的保密速率。
[0053]
其中，保密速率r：
[0054][0055]
构建安全传输通信系统下的保密速率最大化问题，即：
[0056][0057]
s.t.c1:‖w‖2≤p
bs
[0058][0059][0060]
其中，c1是基站的功率约束，p
bs
表示基站的最大功率，c2是aris的功率约束，其中aris的功率包含放大信号消耗的‖ψgw‖2以及放大噪声消耗的c3是aris本身对信号
幅度和相位调控的约束；p
aris
表示aris的最大功率，ψn表示向量ψ的第n个元素。
[0061]
在本实施例中，上述保密速率最大化问题是一个非凸问题，不仅求解难度大，而且复杂度也很高，因此本发明提供一种低复杂度的安全传输通信系统联合预编码方法来求解这个问题，可以使得用户传输速率与窃听者传输速率之差最大，即得到最大的保密速率。联合预编码方法具体包括以下步骤：
[0062]
1)将保密速率最大化问题转化为一个关于aris预编码矩阵ψ和基站预编码向量w的分式型优化问题；
[0063]
为了能够降低计算复杂度，将待优化问题进行一个数学近似。由于用户和窃听者的速率中信噪比一般远大于1，因此可以通过近似log2(1+x)≈log2x将保密速率化r简为：
[0064][0065]
由于函数log2x是单调的，可以进一步将优化问题改写为：
[0066][0067]
s.t.c1,c2,c3[0068]
此时，问题被转化为一个分式型优化问题，通过迭代优化的方式来求解w和ψ的最优解。
[0069]
2)固定aris预编码矩阵w不变，更新基站预编码向量w至最优；
[0070]
在ψ不变时，优化问题可以化简为与w相关的问题
[0071][0072]
s.t.‖w‖2≤p
bs
[0073]
此时，问题可以进一步写为：
[0074][0075]
s.t.‖w‖2≤p
bs
[0076]
其中：
[0077][0078][0079]
此形式问题最优解w
opt
为：
[0080][0081]
其中u
max
(
·
)表示矩阵的最大特征值所对应的特征向量。
[0082]
3)固定基站预编码向量w不变，更新aris预编码矩阵ψ至最优；
[0083]
在w不变时，利用下式将问题转化为变量为ψ的形式：
[0084][0085]
其中，[
·
]
t
表示矩阵的转置；
[0086]
将问题转化为变量为ψ的形式：
[0087][0088]
s.t.c2,c3[0089]
此时，问题已经转化为一个至于ψ相关的问题，可以使用cvx等凸优化工具包直接求解。
[0090]
4)重复步骤2)至步骤3)，直至保密速率最大化问题收敛，得到aris预编码矩阵ψ和基站预编码向量w的联合最优解。
[0091]
其中，收敛条件为：相邻两次某一变量(例如，该变量为基站预编码向量w或该变量为aris预编码矩阵ψ)更新后r的值变化不超过预先设定值。在本实施例中，优选设定值为5％。
[0092]
实施例：对本发明的安全传输通信系统性能进行仿真验证。
[0093]
将本发明的安全传输通信系统及相应的低复杂度联合预编码方法性能进行了仿真验证，假设基站天线数为m＝4，aris单元数为n＝256，信道模型采用传统远场sv信道模型，在基站发射功率p
bs
变化的过程中对比aris辅助的安全传输通信系统的保密速率与没有部署aris辅助的传统通信系统的保密速率结果。如图3所示，可以清晰地看出，部署了aris的安全传输通信系统可以极大程度的提高系统的保密速率，且其随着基站发射功率p
bs
变大的过程中增长速度也更快，实现了高效且安全的传输，在物联网等通信场景中具有参考价值。
[0094]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种安全传输通信系统，其特征在于，包括：用户，包括希望接收传输数据的单天线用户以及可能对数据窃听的单天线窃听者；基站，用于向用户传输数据，同时经aris反射发送数据至用户；aris，对来自基站的入射信号的幅度和相位进行调节后，将其反射给用户。2.如权利要求1所述安全传输通信系统，其特征在于，所述基站与所述aris通过中央控制器相连接。3.如权利要求2所述安全传输通信系统，其特征在于，所述基站根据与所述用户之间的信道状态信息控制所述aris对信号幅度和相位的调节。4.如权利要求3所述安全传输通信系统，其特征在于，所述aris对信号的幅度和相位进行调节为：通过对信号的幅度乘以某个实数实现幅度的变化，对信号的相位加上某个实数实现相位的变化，该调节在数学上标示为aris预编码矩阵。5.如权利要求1所述安全传输通信系统，其特征在于，设定所述基站与所述用户之间的保密速率r为用户传输速率与窃听者传输速率之差，构建保密速率最大化问题，求解该最大化问题得到最大的保密速率。6.如权利要求5所述安全传输通信系统，其特征在于，所述保密速率r为：其中，表示基站和用户之间的信道，表示基站和窃听者之间的信道；表示aris和用户之间的信道，表示aris和窃听者之间的信道，上标h表示矩阵的共轭转置；表示基站和aris之间的信道；表示基站和aris之间的信道；表示aris引入的噪声，满足表示aris引入的噪声，满足表示高斯分布，0表示全为0的向量，i表示单位阵，表示aris引入的噪声噪声的能量；和和分别表示用户和窃听者接收的噪声，σ2表示用户和窃听者噪声的能量；ψ为aris预编码矩阵；w为基站预编码向量。7.如权利要求6所述安全传输通信系统，其特征在于，所述保密速率最大化问题为：s.t.c1:‖w‖2≤p
bsbs
其中，c1是基站的功率约束，p
bs
表示基站的最大功率，c2是aris的功率约束，其中aris的功率包含放大信号消耗的‖ψgw‖2以及放大噪声消耗的c3是aris本身对信号幅度和相位调控的约束；p
aris
表示aris的最大功率，ψ
n
表示向量ψ的第n个元素。8.如权利要求5所述安全传输通信系统，其特征在于，采用联合预编码方法求解所述最大化问题。9.如权利要求8所述安全传输通信系统，其特征在于，所述联合预编码方法包括：将保密速率最大化问题转化为一个关于aris预编码矩阵和基站预编码向量的分式型优化问题；固定aris预编码矩阵不变，更新基站预编码向量至最优；
固定基站预编码向量不变，更新aris预编码矩阵至最优；重复更新基站预编码向量及aris预编码矩阵，直至保密速率最大化问题收敛，得到二者的联合最优解。10.如权利要求9所述安全传输通信系统，其特征在于，所述保密速率最大化问题收敛的条件为：相邻两次基站预编码向量或相邻两次aris预编码矩阵更新后，保密速率r的值变化不超过预先设定值。
技术总结本发明涉及一种安全传输通信系统，其包括：用户，包括希望接收传输数据的单天线用户以及可能对数据窃听的单天线窃听者；基站，用于向用户传输数据，同时经ARIS反射发送数据至用户；ARIS，对来自基站的入射信号的幅度和相位进行调节后，将其反射给用户。本发明可以实现更高的保密速率，为物联网等场景下需要设备间高速安全传输提供了参考设计方案。本发明能在无线移动通信技术领域中应用。在无线移动通信技术领域中应用。在无线移动通信技术领域中应用。
技术研发人员：王宇弘 彭静怡
受保护的技术使用者：国家工业信息安全发展研究中心
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
