工业互联网环境中基于认知无线电的保密通信方法

技术领域

本发明属工业互联网领域，尤其涉及一种窃听者信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)未知的基于认知无线电的保密通信方法。

背景技术

随着新一代人工智能的整体推进，“智能+”时代已然到来。工业互联网依托其深度感知、智能分析、高效处理、集成互通等能力，以数据驱动的智能决策为核心，形成面向不同工业场景的智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化转型等智能应用解决方案，工业互联网也随之迈入2.0发展新阶段。包括智慧城市、工厂的建设，社会的许多资源都逐渐转向信息化、数据化。无线系统的服务数量在过去二十年中呈指数上涨，频谱成为一种非常稀缺的资源，认知无线电概念也因此被提出。它可以利用频谱感知和共享技术，缓解频谱资源稀缺的问题，并且被认为是最有前途的技术之一。但是，认知无线电网络受限于众多的安全问题，例如：物理层的主终端干扰、窃听。窃听是一种物理层的被动攻击，由于无线信道的广播特性，它给认知无线电网络带来巨大的安全风险。

人工噪声技术是物理层安全中常用的提升系统保密性能的手段，其主要方法是预先在发射信号中加入设计好的人工噪声，在不干扰合法终端正常通信的前提下对窃听者进行抑制，从而达到提升系统保密性能的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种工业物联网环境中基于认知无线电的保密通信方法，在保证次级终端正常通信且保证次级发射机对主终端的干扰在一定阈值以内的条件下，通过交替优化思想，设计RIS反射相移矩阵和发送波束矩阵，优化次级终端的最小发送功率，然后，通过人工噪声对窃听者进行干扰，设计人工噪声的发送波束矩阵，使系统安全性能提升。

本发明提供一种工业物联网环境中基于认知无线电的保密通信方法，包括以下步骤：

S1、构建适用于工业互联网环境中基于认知无线电的保密通信传输系统，所述系统包括一个主发射机、一个有M根天线的主终端、一个有D根天线的次级发射机、一个有N根天线的次级终端、一个有E根天线的窃听者以及一个集成L个低功耗反射单元的RIS，其中次级发射机与主终端、次级终端和窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，为使次级发射机和次级终端能与主发射机、主终端在同一频段内通信，建立RIS辅助的反射链路，且保证次级发射机对主终端的干扰在设定阈值以内，设置发送波束矩阵初始值为单位矩阵；

S2、利用次级终端的统计CSI，设计RIS反射相移矩阵；

S3、根据RIS反射相移矩阵，利用次级终端的统计CSI，设计发送波束矩阵，并计算次级终端发送功率；

S4、重复步骤S2、S3直到次级终端功率收敛，得到次级终端的最小发送功率；其中，收敛条件为次级终端发送功率的减少量小于预定值；

S5、根据次级终端的最小发送功率，设计人工噪声的发送波束矩阵，以达到抑制窃听者提升系统安全性能的目的。

进一步地，所述步骤S1中，次级发射机到RIS、RIS到主终端、RIS到次级终端、RIS到窃听者的信道G

其中，G

次级终端的接收信号为：

y

其中，s

设置发送波束矩阵Q的初始值为I

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、计算次级终端的速率关于干扰功率约束E{tr(G

其中，R

其中，A是拉格朗日乘子，ν是使Q满足trQ≤MP

R

另外，{F,Γ,Θ,Ξ,Ψ,Π}都是辅助变量，可以由以下表达式得到：

Θ＝I

Ξ＝σ

S202、设置初始投影梯度参数μ并更新：

其中，μ

S203、令

其中，E

S204、计算RIS反射相移矩阵Φ

进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、发送波束矩阵Q

其中，K和Λ

其中，max{a,b}表示取a和b中较大的数，V

S302、设置次级终端的发送功率上限P

S303、计算次级终端的速率R

进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：

S501、根据次级终端的最小发送功率，计算剩余功率：P

S502、人工噪声的发送波束矩阵：

其中，X为次级终端的统计CSI表达式，U

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明更贴合实际，即在仅知次级终端统计CSI、未知窃听者CSI的情况下，通过交替优化思想，设计RIS反射相移矩阵、发送波束矩阵和次级终端的最小发射功率，并引入人工噪声抑制窃听者，根据次级终端的最小发射功率设计人工噪声的发送波束矩阵，相比于已知窃听者CSI的情况更真实；

(2)本发明采用认知无线电技术，利用频谱感知和共享，保证了主发射机、主终端和次级发射机、次级终端可以在同一频段内通信，节约了频谱资源，缓解了频谱稀缺问题，同时设计优化提升了系统的安全性能。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。

本实施例提出了一种工业物联网环境中安全传输基于认知无线电的保密通信方法，在保证次级终端正常通信且保证次级发射机对主终端的干扰在一定阈值以内的条件下，通过交替优化思想，设计RIS反射相移矩阵和发送波束矩阵，优化次级终端的最小发送功率，然后，通过人工噪声对窃听者进行干扰，设计人工噪声的发送波束矩阵，使系统安全性能提升。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：构建适用于未知窃听者CSI的认知无线电保密通信系统；如图2所示，所述系统包括一个主发射机、一个有M根天线的主终端、一个有D根天线的次级发射机、一个有N根天线的次级终端、一个有E根天线的窃听者、一个集成L个低功耗反射单元的RIS。次级发射机与主终端、次级终端和窃听者之间的直接链路被障碍物阻挡，为使次级发射机和次级终端能与主发射机、主终端在同一频段内通信，建立RIS辅助的反射链路，且保证次级发射机对主终端的干扰在一定阈值以内，设置发送波束矩阵初始值，包括以下步骤：

步骤1.1：次级发射机到RIS、RIS到主终端、RIS到次级终端、RIS到窃听者的信道G

其中，

y

其中，s

步骤1.2：给定初始的发送波束矩阵Q＝I

步骤2：在大规模多输入多输出认知无线电保密通信系统中，利用统计CSI，设计RIS反射相移矩阵，包括以下步骤：

步骤2.1：给定初始发送波束矩阵Q＝I

步骤2.2：计算次级终端速率关于干扰功率约束E{tr(G

其中，R

其中，A是拉格朗日乘子，ν是使Q

另外，{F,Γ,Θ,Ξ,Ψ,∏}都是辅助变量，可以由以下表达式得到：

Θ＝I

Ξ＝σ

步骤2.3：取初始投影梯度参数μ＝0.5并更新μ

其中，μ

步骤2.4：令

其中，E

步骤2.5：计算RIS反射相移矩阵为Φ

步骤3：根据RIS反射相移矩阵，利用统计CSI，设计发送波束矩阵，并计算次级终端发送功率，具体包括以下步骤：

步骤3.1：发送波束矩阵Q

其中，K和Λ

其中，max{a,b}表示取a和b中较大的数，V

步骤3.2：设置功率上限P

步骤3.3：根据步骤2、步骤3.1所得RIS反射相移矩阵和发送波束矩阵，计算次级终端的速率R

步骤4：重复步骤S2、S3直到次级终端功率收敛，得到次级终端的最小发送功率；其中，收敛条件为次级终端发送功率的减少量小于预定值。

步骤5：根据次级终端的最小发送功率，设计人工噪声的发送波束矩阵，包括以下步骤：

步骤5.1：根据最小发送功率计算剩余功率：P

步骤5.2：人工噪声的发送波束矩阵：

其中，X为次级终端的统计CSI表达式，U

本发明在大规模多输入多输出认知无线电无线安全通信系统中，次级发射机与主终端、次级终端、窃听者间的直接链路被障碍物阻挡，只能通过RIS辅助的反射链路进行通信。为使次级发射机和次级终端能与主发射机、主终端在同一频段内通信，需保证次级发射机对主终端的干扰在一定阈值以内，且需保证次级终端的通信质量，在此条件下，通过交替优化思想，设计RIS反射相移矩阵和发送波束矩阵，优化次级终端的最小发送功率，然后，通过人工噪声对窃听者进行干扰，设计人工噪声的发送波束矩阵。本发明可以在仅知主终端和次级终端的统计CSI、未知窃听者CSI的前提下，缓解频谱稀缺问题，有效提高频谱的利用率，且能有效避免人工噪声对次级终端的干扰，保证次级终端通信质量，提升系统安全性能。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。