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申请/专利权人：北京信息科技大学

摘要：本发明提供一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，包括外部窃听和内部窃听两种场景，基站通过智能反射面的辅助发送信息给合法的非正交用户，设计方法包括建立智能反射面辅助NOMA安全通信系统模型、给出合法用户和窃听用户的接收信号表达式和检测信噪比，利用1‑bit编码机制将反射单元的连续相移转变为随机相移，通过“1”和“0”对反射单元进行开关控制，以最大化合法用户的接收信干噪比，抑制窃听者的性能，推导出非正交用户的安全中断概率理论表达式。本发明相对于智能反射面辅助的OMA系统，提高了安全中断概率性能，具有较好的应用价值。

主权项：1.一种智能反射面辅助的功率域NOMA安全通信系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统模型，写出安全用户以及外部和内部两种窃听场景下窃听者的接收信号表达式；该安全通信系统模型具体包括一个基站、一块智能反射面、一对合法的非正交用户和一个外部窃听者，基站在智能反射面的辅助下将两个用户的叠加信息发送给合法用户，同时窃听者采用被动窃听模式窃取合法信息，在该系统中基站和用户之间的通信链路受到建筑物的阻挡而无法直接通信，只能通过反射面的辅助才能完成；智能反射面上包括M个反射单元，基站到反射面和反射面到用户的复信道系数分别用hsr和hri，i∈{n,f,e}表示，并将其建模为瑞利衰落信道，不失一般性，利用表示智能反射面的反射特性，ηm∈0,1]表示反射面上第m个单元的放大反射系数，θm∈[0,2π表示第m个反射单元的相移；此时，近端和远端用户的接收信号分别表示为 由于信道的广播特性，窃听者的接收信号表达式写为 其中，xn和xf分别表示近端和远端用户的归一化能量信号，an和af表示近端和远端用户的功率分配因子且满足关系式af≥an和af+an＝1，Ps表示在基站处的归一化发送功率，hsr＝[hsr1,…,hsrm,…hsrM]H，其中hsrm～CN0,Ωsr表示基站到第m个反射单元的复信道系数，hri＝[hri1,…,hrim,…hriM]H，其中hrim～CN0,Ωri表示第m个反射单元到用户的复信道系数，ni表示用户处的高斯白噪声；步骤二：近端用户使用串行干扰删除先检测远端用户的信号将其删除，然后再检测自己的信号；远端用户直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号；具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户n解码自身信号对应的信干噪比表达式为 其中，表示发送端信噪比，具体而言，和分别表示用户使用了理想串行干扰删除和非理想串行干扰删除机制；对于远端用户f，直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号的信干噪比表达式为 步骤三：对于外部窃听场景，窃听者首先将近端用户的信息作为干扰信号解码出远端用户信息并将其删除，然后再解码近端用户的信息；对于内部窃听场景，将远端用户作为窃听者解码近端用户消息；具体包括：对于外部窃听场景，根据NOMA解码顺序准则，窃听者采用串行干扰删除解码近端用户n信息时对应的信干噪比表达式为 其中，表示窃听端信噪比，窃听者解码远端用户信息时对应的信干噪比表达式为 对于内部窃听场景，远端用户作为窃听者解码近端用户信号的信干噪比表达式为 步骤四：对步骤二和步骤三中给出的用户检测信干噪比进行处理，使用1-bit编码机制将反射单元的连续相移转变为随机相移，以最大化合法用户的信干噪比；具体包括：从应用角度分析，连续改变智能反射面的反射单元幅度和相位有利于增强网络性能，智能反射单元可以将PIN二极管嵌入在每个元素表面上来实现，通过直流馈电线路控制其偏置电压，等效为“1”开和“0”关状态之间切换从而产生相位差，使用可变电阻负载有效地控制反射放大因子，因此通过可编程软件控制实现智能反射面上反射相位和放大因子的随机性，使用1-bit编码随机相移策略实现智能反射面上的随机相移控制；1-bit编码具体实现过程为：定义其中，M＝PQ，P和Q都是整数，IP是P×P的单位阵，1Q是元素全为1的Q×1列向量，表示取Kronecker内积，vp表示V的第p列，可以看出在p≠l的条件下，通过简单的算术运算，随机选取vp一列来最大化合法用户的检测信干噪比，对于窃听者而言只是一列，从而实现增强合法用户通信性能的目的；使用1-bit编码方法后，近端用户解码自身信号的信干噪比表示为 远端用户解码自身信号的信干噪比表示为 对于外部窃听场景，窃听者解码近端用户和远端用户信息时的信干噪比分别表示为 对于内部窃听场景，将远端用户作为窃听者解码近端用户信息时的信干噪比为 步骤五：定义智能反射面辅助功率域NOMA安全通信系统中用户的安全中断事件，推导出非正交用户的安全中断概率表达式；具体包括：当用户的安全容量低于对应的目标安全速率时发生中断，对于外部窃听场景，对应的安全中断事件用数学表达式写为 其中，分别表示用户n和用户f的安全容量，[x]+＝maxx,0以确保安全容量为正值，Rn和Rf分别表示用户n和用户f目标安全速率；对于内部窃听场景，对应的安全中断事件用数学表达式写为 其中，表示用户f窃听用户n时的安全容量；通过理论推导可以获得近端用户在理想非理想串行干扰消除机制下的信道统计表达式分别为 其中，表示高斯-拉盖尔积分的加权系数，ξk是拉盖尔多项式的零点；通过理论推导可以获得远端用户的信道统计表达式为 外部窃听场景下对应的信道统计表达式分别为 其中，表示高斯-拉盖尔积分的加权系数，ξu是拉盖尔多项式的零点，内部窃听场景下对应的信道统计表达式为 其中，将17-23代入公式14-16即可得出对应的安全中断概率表达式。

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