一种物理层安全和隐蔽通信增强方法、装置、设备及介质

本发明涉及无线通信，特别是涉及一种物理层安全和隐蔽通信增强方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、随着无线通信技术的不断发展，通信安全问题日益受到企业和个人的关注。为了保护用户信息不受窃听攻击，物理层安全(pls)技术是近年来出现的一种很有前途的技术，受到了广泛的关注。然而，由于物理层安全技术只能保护无线通信的内容信息，而不能隐藏通信的存在，所以在要求隐秘性的场景下，物理层安全技术不能很好地发挥作用。

2、隐蔽通信作为一种新型的安全技术，近年来受到了军事和民用领域的广泛关注。隐蔽通信具有从根本上隐藏用户之间通信存在的能力，提供比pls更高的安全级别。但是现有隐蔽通信方案将受限于随机的不可控的无线通信环境。为了打破这个限制，可重构智能表面(ris)是一种很有前途的解决方案，它由大量具有成本效益的超材料元件组成，每个元件都可以动态控制，从而修改入射信号的电磁特性，并重新配置理想的传播环境。

3、传统的ris要求发射机和接收机都位于ris的同一侧，应用范围较小且隐蔽通信可靠性较低，具有一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种物理层安全和隐蔽通信增强方法、装置、设备及介质，解决了现有传统的ris要求发射机和接收机都位于ris的同一侧，应用范围较小且隐蔽通信可靠性较低，具有一定的局限性的问题。

2、本发明提供一种物理层安全和隐蔽通信增强方法，包括以下步骤：

3、构建一个包括基站、反射透射型可重构智能表面star-ris、一个隐蔽用户bob、k个安全用户、两个监听者willie和eve的star-ris隐蔽通信系统，其中bob和willie位于star-ris的一侧，k个安全用户和eve位于star-ris的另一侧；

4、基于star-ris隐蔽通信系统，获取bob的隐蔽率、k个安全用户的安全率、基站的最大发射功率约束、bob的通信隐蔽约束、隐蔽率的qos约束、安全率的qos约束以及star-ris的幅值和相位约束；

5、构建以隐蔽率与最小安全率之间的均值之和最大化为优化目标，波束形成向量以及star-ris的反射系数矩阵和透射系数矩阵为待优化变量，基站的最大发射功率约束、bob的通信隐蔽约束、隐蔽率的qos约束、安全率的qos约束以及star-ris的幅值和相位约束为约束条件的初始非凸优化问题；

6、将初始非凸优化问题分解为第一凸子问题和第二凸子问题，对第一凸子问题和第二凸子问题进行交替迭代循环，得到优化结果；

7、根据优化结果提升基站与bob之间的隐蔽通信以及基站和k个安全用户之间的通信性能。

8、优选的，基于star-ris隐蔽通信系统，获取bob的隐蔽率和k个安全用户的最小安全率，包括以下步骤：

9、基于star-ris隐蔽通信系统，建立基站与star-ris以及star-ris与bob、k个安全用户、willie和eve之间的通道模型；

10、基于所述通道模型，得到bob、k个安全用户、willie和eve的接收信号表示；

11、基于bob的接收信号表示，得到bob的隐蔽率；

12、基于eve的接收信号表示，得到第k个安全用户的安全率；

13、在k个安全用户的安全率的基础上，基于star-ris与eve之间的信道状态统计信息，得到k个安全用户的平均安全率；

14、采用第k个安全用户的平均安全率的下界替换第k个安全用户的平均安全率，得到k个安全用户的最小安全率。

15、优选的，所述bob的通信隐蔽约束的获取包括以下步骤：

16、基于willie接收信号表示，得到接收信号的平均功率

17、基于平均功率设定检测阈值τdt，并假设d0表示当时willie做假设h0，d1表示当时willie做假设h1；

18、根据上述假设推导出willie的检验误差概率；

19、对willie的检测误差概率进行优化，得到最小检测误差概率；

20、基于大系统分析技术对最小检测误差概率进行求解，得到最小检测误差概率的渐进解析结果；

21、基于渐进解析结果得到bob的通信隐蔽约束。

22、优选的，所述初始非凸优化问题如下所示：

23、

24、其中，

25、

26、式中，wb,wk是波束成形向量，k是安全用户的总数量，θr和θt是star-ris的反射系数矩阵和透射系数矩阵，是目标函数，概率p0代表基站仅与安全用户通信，概率p1＝1-p0代表基站传既与隐蔽用户通信也与安全用户通信，ptmax是最大发射功率，ε是隐蔽要求，α和β是bob的通信隐蔽约束的参数，是bob处的隐蔽率，是最小隐蔽率，是第k个安全用户的平均安全率的下界，和是最小安全率，和分别是star-ris的第m个单元的反射系数的幅值，和是透射系数的幅值和相位，m是star-ris的单元个数。

27、优选的，将初始非凸优化问题分解为第一凸子问题，包括以下步骤：

28、给定θr和θt的情况下设计wb和将初始非凸优化问题转化为第一非凸优化问题；

29、引入辅助变量ι，κ和来代替目标函数中的对bob的通信隐蔽约束进行等价转化，得到第二非凸优化问题；

30、将第二非凸优化问题中的对应的约束分别进行一阶泰勒展开式展开与等价重写，得到第一凸子问题。

31、优选的，将初始非凸优化问题分解为第二凸子问题，包括以下步骤：

32、给定wb和的情况下设计θr和θt，将初始非凸优化问题转化为第三非凸优化问题；

33、令将第三非凸优化问题转化为第四非凸优化问题；

34、将第四非凸优化问题中对应的约束进行一阶泰勒展开与等价重写得到第二凸子问题。

35、优选的，对第一凸子问题和第二凸子问题进行交替迭代循环，包括以下步骤：

36、设置初始可行点定义容忍精确度ε、和设置外部循环迭代索引t＝0；当ν＞ε或t＝0时，v是目标函数间隙，ρcs、ρr和ρt是惩罚系数，和是惩罚系数的比例因子，主动式和被动式波束形成设计的违例罚分别用和表示，重复如下循环：

37、设置内层循环i＝0和初始化当或i＝0时，重复以下第一层循环：根据给定的来求解第一凸子问题，用得到的解更新根据得到的结果来计算并且使i＝i+1；结束第一层循环；

38、用更新设置第二层循环索引q＝0，初始化和当或q＝0时，重复以下第二层循环：

39、根据给定的来求解第二凸子问题，用得到的解更新根据得到的结果来计算更新惩罚系数并且使q＝q+1；结束第二层循环。

40、用更新计算目标值根据得到的解更新并且t＝t+1，结束循环。

41、一种物理层安全和隐蔽通信增强装置，包括：

42、系统构建模块，用于构建一个包括基站、反射透射型可重构智能表面star-ris、一个隐蔽用户bob、k个安全用户、两个监听者willie和eve的star-ris隐蔽通信系统，其中bob和willie位于star-ris的一侧，k个安全用户和eve位于star-ris的另一侧；

43、数据获取模块，用于基于star-ris隐蔽通信系统，获取bob的隐蔽率和k个安全用户的安全率；

44、优化问题构建模块，用于构建以隐蔽率与最小安全率之间的均值之和最大化为优化目标，波束形成向量以及star-ris的反射系数矩阵和透射系数矩阵为待优化变量，基站的最大发射功率约束、bob的通信隐蔽约束、隐蔽率的qos约束、安全率的qos约束以及star-ris的幅值和相位约束为约束条件的初始非凸优化问题；

45、优化问题求解模块，用于将初始非凸优化问题分解为第一凸子问题和第二凸子问题；

46、通信优化模块，用于根据优化结果提升基站与bob之间的隐蔽通信以及基站和k个安全用户之间的通信性能。

47、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的物理层安全和隐蔽通信增强方法。

48、一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的物理层安全和隐蔽通信增强方法。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、本发明首先构建一个包括基站、star-ris、一个隐蔽用户bob、k个安全用户、两个监听者willie和eve的star-ris隐蔽通信系统，使位于star-ris两侧且具有不同安全需求(如pls和隐蔽通信)的合法用户可以同时得到服务。基于该通信系统构建以隐蔽率与最小安全率之间的均值之和最大化为优化目标，基站的最大发射功率约束、bob的通信隐蔽约束、隐蔽率的qos约束、安全率的qos约束以及star-ris的幅值和相位约束为约束条件的初始非凸优化问题。由于变量间的强耦合，提出了一种迭代算法来求解非凸优化问题。仿真结果表明，所提出的star-ris辅助方案的性能明显优于传统ris方案，验证了star-ris在同时实现物理层安全和隐蔽通信方面的优越性。star-ris在提高联合pls和隐蔽通信性能方面具有更大的潜力。