本发明涉及无线通信安全，具体涉及面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法。
背景技术：
1、无线信号的广播特性，为非法用户窃听私密信息创造了机会，使得无线通信面临安全威胁。针对该安全问题，物理层安全从无线信道的互易性、唯一性和时变性等特性出发，利用编码、调制等通信传输手段，在保障合法用户通信质量的同时，降低了窃听方的接收信号质量，实现无线信号的安全传输。
2、物理层安全最早可追溯到香农于1949年提出的信息理论加密，在接下来的几十年时间里，物理层安全取得了很大的进展，其中，波束成型和人工噪声是两种典型的物理层安全技术。随着无线网络环境日趋复杂，例如，当非法用户的位置接近于合法用户时，两者的信道存在相关性，此时的波束成型和人工噪声难以有效保障无线通信安全。然而，基于智能反射面(ris,reflecting intelligent surface)的物理层安全提供了新的解决思路，智能反射面具有低功耗、低成本、可重构等特性，通过智能控制“人工无线信道”来提高合法通信性能和降低非法用户的接收信号质量，从而保障无线通信安全。
3、然而，窃听方是仅接收信号的隐蔽节点，通常难以获取准确的信道状态信息(csi)，且获取智能反射面的csi也是目前的一大难题。当发送端信道状态信息(csit)完备时，波束成型和人工噪声无法精确对准目标用户，降低了安全增益。除了采用鲁棒化设计来处理不完美csit，近年来兴起的rsma(rate splitting multiple access，速率分割多址接入)方案对不完备csit具有固有的鲁棒性。rsma是一种基于rs的多址接入方式，通过将用户消息分成公共和私有部分，对干扰进行部分解码，并将剩余部分的干扰视为噪声，实际上，它是一个将noma和空分多址(sdma)软连接起来的通用框架。
4、多输入单输出速率分割多址接入(miso-rsma)通信系统及其物理层安全引起了广泛关注。但是，现有研究主要针对两用户的通信系统，未研究到更通用的多用户场景，并且现有研究完全未考虑结合智能反射(ris)来提高系统安全性能，导致系统的通信安全性和鲁棒性不足。因此，如何设计一种能够提高多输入单输出速率分割多址接入(miso-rsma)系统的通信安全性和鲁棒性的通信方案是亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，能够从两用户的通信系统扩展到更通用的多用户场景，并且能够结合智能反射面来提高系统的安全性能，从而能够提高多用户miso-rsma通信系统的通信安全性和鲁棒性。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
3、面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，包括：
4、s1：建立智能反射面辅助的多用户miso-rsma通信系统；
5、s2：针对多用户miso-rsma通信系统，建立通过设计波束成型向量和相移向量来最大化安全速率的优化问题；
6、s3：通过引入松弛变量，将优化问题转换为部分变量解耦的优化问题；
7、s4：将部分变量解耦的优化问题分成波束成型向量子优化问题和相移向量子优化问题；
8、s5：对波束成型向量子优化问题和相移向量子优化问题进行交替迭代优化直至收敛，输出最优的波束成型向量和相移向量，并对应的在基站设计波束成型向量和在智能反射面设计相移向量以实现安全通信。
9、优选的，多用户miso-rsma通信系统对用户信号的收发过程进行速率分割。
10、优选的，多用户miso-rsma通信系统包括一个n天线基站、一块智能反射面、k个单天线合法的用户和1个单天线的窃听方；
11、智能反射面具有m个反射单元，每个反射单元通过调节相位反射来波信号；
12、在多用户miso-rsma通信系统的rsma下行传输过程中，首先将要发送的kth用户信源信息wk分为公共部分信息wc,k和私有部分信息wp,k；其次将所有用户的公共部分信息合并成一个公共信息wc，经过调制后得到公共信号sc；各个用户的私有部分信息wp,k分别调制得到私有信号sk；最后对公共信号和所有用户的私有信号分别进行线性预编码并发送；
13、在接收端，当每个用户接收到信号后，首先对公共信号进行解码和分割，获取各自的公共部分信息然后采用串行干扰消除技术去除公共信号并解码私有部分信息进而获取完整的用户信源信息
14、优选的，用安全速率作为多用户miso-rsma通信系统的安全性能指标，通过设计波束成型向量和相移向量来最大化安全速率，进而通过如下公式表示最大化安全速率的优化问题(p1)：
15、
16、式中：表示用户k的可达安全速率；ωc、ωk、ωz分别表示公共信息sc、k用户的私有信号sk和人工噪声z的波束成型向量；vm表示第m个智能反射单元的相移向量；c1表示基站的总功率约束，其最大总功率为ps；c2表示智能反射面的相移约束；
17、其中：
18、
19、rc,k＝αklog2(1+sinrc,k)；
20、
21、rce,k＝αklog2(1+sinrce)；
22、
23、rp,k＝log2(1+sinrp,k)；
24、
25、rpe,k＝log2(1+sinrpe,k)；
26、
27、式中：hb,k表示基站到第k个用户的直达信道；vh表示相移向量的共轭转置；hb,k表示基站到第k个用户的联合信道；σ2表示背景噪声的方差；rc,k、rp,k表示用户k关于公共信号和私有信号的可达速率；rce,k、rpe,k表示用户k公共信号和私有信号的窃听速率；sinrc,k、sinrp,k表示用户k公共信号和私有信号的接收信噪比；sinrce、sinrpe,k表示用户k公共信号和私有信号的窃听速率；αk表示用户k在公共信号中占有的信号比例。
28、优选的，首先，在优化问题(p1)中引入松弛变量将(p1)转变为部分变量解耦的优化问题(p2)：
29、
30、其中：μc、μp,k是引入的松弛变量；优化问题(p2)的最优解与优化问题(p1)是等价的；
31、其次，在部分变量解耦的优化问题(p2)中引入松弛变量t、rc,k、rc1,k、rp,k、tc,k、βce、tce、tp,k、βpe,k和tpe，生成部分变量解耦的优化问题(p3)：
32、
33、其中：t、rc,k、rc1,k、rp,k、tc,k、βce、tce、tp,k、βpe,k和tpe是引入的松弛变量；优化问题(p3)在最优解处与(p2)最优是等价的；优化问题(p2)中的目标函数等价于优化问题(p3)中的目标函数和c7a、c7b、c7c、c7d；c3等价于c3a和c3b，c4等价于c4a、c4b、和c4c，c5等价于c5a和c5b，c6等价于c6a、c6b和c6c。
34、优选的，将部分变量解耦的优化问题(p3)分成波束成型向量子优化问题和相移向量子优化问题；
35、当相移向量v已知，设计鲁棒波束成型向量，得到如下的波束成型向量子优化问题(p4)：
36、
37、当波束成型向量ωc、ωk和ωz已知，设计最优反射系数向量，得到如下的相移向量子优化问题(p5)：
38、
39、优选的，分别对波束成型向量子优化问题(p4)和相移向量子优化问题(p5)的无穷多约束条件和非凸约束条件进行凸近似处理，等效转换得到子优化问题(pω)和子优化问题(pv)。
40、优选的，通过如下公式表示子优化问题(pω)：
41、
42、式中：是无穷多约束条件和非凸约束条件c3a-c7d经过凸近似处理后获取的；u4ah、u4ah、u4bh、u4bh、u6ah,k、u6ah,k、u6bh、u6bh表示引入的变量。
43、优选的，通过如下公式表示子优化问题(pv)：
44、
45、式中：是无穷多约束条件和非凸约束条件c3a-c7d经过凸近似处理后获取的；u4ah、u4ah、u4bh、u4bh、u6ah,k、u6ah,k、u6bh、u6bh表示引入的变量。
46、优选的，通过如下步骤实现安全通信：
47、s501：设置n＝0，截止参数ε和最大循环次数，随机化相移向量的初始值v(0)；
48、s502：对于给定的相移向量v(n)，求解子优化问题(pω)，获取最优的波束成型向量
49、s503：对于给定的波束成型向量求解子优化问题(pv)，获取最优的相移向量v*和目标值t(n)＝t*；
50、s504：执行n＝n+1，令v(n)＝v*；
51、s505：若或达到最大循环次数，则执行步骤s506；否则，执行步骤s502；
52、s506：输出最优的相移向量v*和波束成型向量并对应的在基站设计波束成型向量在智能反射面设计相移向量v*以实现安全通信。
53、本发明中面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
54、本发明的多用户miso-rsma通信系统能够从两用户的通信系统扩展到更通用的多用户场景，并且能够结合智能反射面(ris)来提高系统的安全性能，从而能够提高多用户miso-rsma通信系统的通信安全性和通用性。
55、本发明针对多用户miso-rsma通信系统设计了波束成型向量和相移向量来最大化安全速率，使得能够通过联合优化公共消息、人工噪声和每个用户私有消息的波束形成向量和ris处的相移向量来考虑最坏情况下的保密率，并且使得系统抵抗信道不确定性的能力更强(性能优势来自于同时传输公共消息和私有消息以及使用人工噪声降低窃听性能)，从而能够提高多用户miso-rsma通信系统的通信安全性和鲁棒性。
56、本发明将安全波束形成矢量和相移矢量的鲁棒性设计描述为一个非凸问题，优化问题使最坏情况下可达到的最小保密率最大化，但该优化问题存在求解困难的问题。因此，本发明首先引入松弛变量将优化问题转化为具有等价目标函数的可处理形式，即部分变量解耦的优化问题，然后将优化问题分成波束成型向量子优化问题和相移向量子优化问题，最后对两个子优化问题进行交替迭代优化直至收敛，并输出最优的波束成型向量和相移向量来实现安全通信，使得能够快速、有效的求解系统最大化安全速率的优化问题，从而能够进一步提高多用户miso-rsma通信系统的鲁棒性和通信安全性。
1.面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于：多用户miso-rsma通信系统对用户信号的收发过程进行速率分割。
3.如权利要求2所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于：步骤s1中，多用户miso-rsma通信系统包括一个n天线基站、一块智能反射面、k个单天线合法的用户和1个单天线的窃听方；
4.如权利要求1所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，步骤s2中，用安全速率作为多用户miso-rsma通信系统的安全性能指标，通过设计波束成型向量和相移向量来最大化安全速率，进而通过如下公式表示最大化安全速率的优化问题(p1)：
5.如权利要求4所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，步骤s3中：
6.如权利要求5所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，步骤s4中，将部分变量解耦的优化问题(p3)分成波束成型向量子优化问题和相移向量子优化问题；
7.如权利要求6所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，分别对波束成型向量子优化问题(p4)和相移向量子优化问题(p5)的无穷多约束条件和非凸约束条件进行凸近似处理，等效转换得到子优化问题(pω)和子优化问题(pv)。
8.如权利要求7所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，通过如下公式表示子优化问题(pω)：
9.如权利要求7所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，通过如下公式表示子优化问题(pv)：
10.如权利要求7所述的面向智能反射面辅助miso-rsma通信系统的安全通信方法，其特征在于，步骤s5中，通过如下步骤实现安全通信：
