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申请/专利权人：重庆邮电大学

摘要：本发明涉及一种面向用户窃听的IRS‑MISO系统鲁棒波束赋形方法，属于移动通信技术领域。该方法首先考虑最大发射功率约束以及IRS相移约束，基于窃听用户的有界信道不确定性，建立联合优化基站波束、IRS相移的用户保密率问题，实现最大化保密率；其次利用变量替换和S‑procedure方法，将原非凸和多变量耦合的用户保密率问题转换为确定性凸优化问题；并采用间接交替优化方法优化耦合变量，同时结合Charnes‑Cooper方法对凸优化问题进行求解。本发明能提高用户保密率，有效抑制窃听用户的可达速率，从而提高系统的安全性和鲁棒性。

主权项：1.一种面向用户窃听的IRS-MISO系统鲁棒波束赋形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：考虑最大发射功率约束以及IRS相移约束，基于窃听用户的有界信道不确定性，建立联合优化基站波束、IRS相移的用户保密率问题，实现最大化保密率；步骤S1中，建立联合优化基站波束、IRS相移的用户保密率问题，表达式为： 其中，σl2和σe2分别表示合法用户和窃听用户的加性高斯白噪声方差，ψ表示IRS的相移矩阵；分别表示BS与IRS、IRS与合法用户、IRS与窃听用户、BS与合法用户、BS与窃听用户之间的信道增益，M表示IRS的反射单元个数，N表示基站配置的发射天线数量；约束C1中，w是基站的发射预编码矢量，Pmax是基站的最大发射功率；v0＝[v1,···,vm,···,vM]H，θm是IRS中第m个单元的相位；C2是IRS的相位约束；约束C3是窃听用户边界信道状态信息的误差模型，Δhe和Δhde表示信道估计误差，||·||F表示矩阵的F范数，εie和εbe表示不确定性参数的上界；S2：利用变量替换和S-procedure方法，将原非凸和多变量耦合的用户保密率问题转换为确定性凸优化问题；并采用间接交替优化方法优化耦合变量，同时结合Charnes-Cooper方法对凸优化问题进行求解；具体包括：定义矩阵W＝wwH，得到新的优化问题，如下所示： 由于优化问题2中W和ψ是高度耦合的形式，根据优化问题的结构，采用Charnes-Cooper方法，定义如下所示的矩阵U和Z分别为： 其中，V＝vvH，v＝[v01]，U≥0，Z≥0、θ＞0；并且得到由单位模|v|＝1引起的秩一rankV＝1问题；由于优化问题有两个耦合变量，通过结合公式3，采用间接交替优化U和Z的方法来求解新的优化问题，最后由公式3得到原优化问题关于W和V的解；步骤S2中，求解IRS的相位矩阵，具体包括：将优化问题2写为以下形式： 对优化问题中GZGH进行奇异值分解，即则得到如下表达式： 定义 那么5表示为： 由于V是秩一矩阵，那么根据矩阵性质得出对角矩阵ψ＝diagVM+1,1:M；定义如下的矩阵表达式 那么得到新的优化问题为： 根据优化问题10的结构形式，引入辅助变量η以及半正定矩阵U，其中矩阵U满足： 利用Charnes-Cooper变换，得到如下优化问题： 其中， 约束C3是非完美信道状态信息的表达式；定义如下所示的矩阵： 那么等式13的右边表示为：ΔXHRVΔX+ΔXHRVX+XHRVΔX+XHRVX17将式17代入到约束C7得到以下不等式 利用S-procedure将不等式18转化为一个等价形式；S-procedure的表达形式如下： 其中，k＝1,2，要使不等式满足当且存在p≥0，使得 从而能够得到x的解，使得满足f1x＜0；令εe＝εbe+εie，将C3与式18相结合后，使用S-procedure得到如下线性矩阵不等式的新约束： 使用半定松弛方法松弛秩一约束C5，则优化问题转变为： 对U进行特征值分解和高斯随机化方法恢复近似解，从而得到和同时使用公式得到矩阵然后将转化为V＝ejargV||V||的形式，根据IRS相位rankV＝1的条件得到相移矩阵ψ＝diagVM+1,1:M；求解基站的波束矩阵W，具体包括：将优化问题2写为以下形式 根据优化问题23的结构形式，将矩阵W写为：W＝Zθ24其中，Z≥0，0＞0；将约束C1、C11和C12分别转化为： 则重写优化问题23为： 通过Charnes-Cooper变形，引入辅助变量ε，将优化问题26转变为如下的SDP形式： 将16中的RV变形为如下形式： 则将约束C14写为：ΔXHRΔX+ΔXHRX+XHRΔX+XHRX+θσe2-εσe2≤029同理利用S-procedure将式29和C3约束变换后得到如下新的约束： 那么优化问题27转化为： 忽略秩一约束，因此得到以下优化问题： 求解得到关于Z和θ的最优解，依据公式W＝Zθ计算出基站的波束矩阵W；计算窃听用户可达速率的上界为： 那么合法用户的保密率R为： 其中，Rl为合法用户的可达速率。

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百度查询： 重庆邮电大学 面向用户窃听的IRS-MISO系统鲁棒波束赋形方法