一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法转让专利
申请号 : CN202011218441.0
文献号 : CN112398556B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 于华妍 , 曹若菡 , 马利东
申请人 : 北京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)设定通信系统中有一个基站，该基站有M根天线，一个用户，该用户有一个天线，以及一个具有N个反射元素的智能反射面，并设定通信系统存在一个单天线的干扰者，用户和干扰者与基站之间的直传信道被障碍物阻断，基站接收经过智能反射面反射的来自合法用户的导频信号和干扰者的干扰信号，并将接收信号投影到智能反射面的反射角度变换向量集合上，具体包含以下步骤：
(1‑1)第i个帧中，用户和干扰者分别向通信系统中的基站以功率Puser和Peve发送包含有L个符号的一个导频信号序列和干扰导频信号序列 和其中i＝1,…,b，b表示帧的个数， 即用户在同一帧内发送的L个导频符号为相同的，下标p表示用户发送的导频信号序列，下标e表i2πk/K
示干扰者发送的干扰导频信号序列，设定一个相移键控PSK符号集合A：A＝{e ,0＜k＜K}，其中K表示PSK状态个数， 和 中的符号均属于相移键控PSK符号集合A；
(1‑2)设定用户在第1个帧内发送的导频信号序列 在通信系统中为公开，由基站和攻击者获知，干扰者发送与用户相同的导频信号序列 干扰基站，即 在随后的b‑1个帧中，用户和干扰者各自随机从PSK符号集合A内选择符号组成导频信号序列发送到智能反射面；
(1‑3)在第i个帧中，基站接收到经过智能反射面反射后的合法用户和干扰者的导频信号序列，将接收到的导频信号序列记为：其中，qu＝huθ，qe＝heθ，hu和he分别表示用户和干扰者到基站的级联信道，hu和he为M×N的矩阵，hui和hei分别表示用户和干扰者到智能反射面的信道，hui和hei均为N×1维的矢量， 为IRS到基站之间的信道，为M×N的矩阵，M为基站的天线数，N为智能反射面的反射元素数，θ为智能反射面的N×L反射矩阵， θ矩阵内的向量 之间相互正交，其中， 为第n个反射元素在L个导频信号序列的符号间隔内的反射角度向量，其中， 为智能反射面第n个元素在第个l符号间隔时的反射角度，j表示虚数单位，(ωn)l取值为0或π，Ψ表示智能反射面反射角度变换向(i)
量集合，构成集合的行向量之间相互正交，v 表示第i个时隙通信系统信道叠加的噪声，v(i)
里的每个变量服从均值为0，方差为N0的复高斯分布；
(1‑4)基站将接收到的步骤(2)的导频信号序列投影到智能反射面的反射角度变换向量集合Ψ上，得到投影后的信号：其中， (hu)1,…,(hu)N为用户到基站的级联信道矩阵hu的N个列向量，(he)1,…,(he)N为干扰者到基站的级联信道矩阵he的N个列向量；
(2)重复步骤(1)，经过b个帧后，基站得到b个投影信号序列 对b个投影信号序列进行转置，得到 将第一个投影信号序列的转置分别与随后的b‑1个投影信号序列的转置进行点乘,得到 表达式如下：(1,i)
其中，v 为复高斯噪声，(hu)1,…,(hu)M为用户到基站的级联信道的转置矩阵 的M个列向量，(he)1,…,(he)M为干扰者到基站的级联信道的转置矩阵 的M个列向量；
对上述点乘后的信号进行幅值上的合并，得到导频干扰检测信号，记为表达式如下；
其中， 服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中，Puser为用户向通信系统中的基站发送导频信号序列的功率，Peve为干扰者向通信系统中的基站发送干扰导频信号序列的功率；
(3)对上述步骤(2)的智能反射面通信系统中的导频干扰检测信号进行检测，步骤如下：
(3‑1)构造一个导频干扰的检测区域r(zP)：其中， ||·||表示范数运算符号；
i2π/K
(3‑2)从PSK符号集合A中的第一个符号a1＝e 开始，首先对符号a1进行x倍缩放，得到缩放后的信号xa1，计算步骤(2)的导频干扰检测信号 到被放缩了x倍后的PSK信号xa1的距离d(x)：
其中，real()表示求实部运算，imag()表示求虚部运算；
2 2
定义一个差值函数f(x)＝d(x)‑r(x)，根据步骤(3‑1)的检测区域(1,i)
和距离d(x)，对差值函数f(x)进行判断，若存在一个x使得f(x)＜0，则记中间变量p ＝0，若不存在一个x使得f(x)＜0，则按序遍历PSK集合A所有符号中的下一个PSK符号，重复本步骤中的上述过程，当遍历完PSK符号集合A中的所有符号时，仍不存在一个x使得f(x)＜0，则(1,i)
记中间变量p ＝1；
(3‑3)对导频干扰检测信号 重复步骤(3‑2)，得到与b‑1个导频干扰检(1,2) (1,b)
测信号对应的中间变量p ，…，p ，将该b‑1个中间变量记为中间变量序列；
(3‑4)对上述中间变量序列中0和1的个数进行比较，当导频干扰检测信号的个数b‑1为奇数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中存在导频干扰，若1的个数小于0的个数，则判定通信系统中不存在导频干扰，当导频干扰检测信号的个数b‑1为偶数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中存在导频干扰，若1的个数小于0的个数，则判定通信系统中不存在导频干扰，若1的个数等于0的个数，则判定此次通信系统中导频干扰检测无效，完成对智能反射面通信系统中导频干扰的检测。
说明书 :
一种智能反射面通信系统中导频干扰的检测方法
技术领域
背景技术
Secure MIMO Transmission via Intelligent Reflecting Surface,"in IEEE
Transactions on Wireless Communications,doi:10.1109/TWC.2020.3012721，主要目标
是在智能反射面的辅助下最大化系统的保密速率，如通过联合优化、增加人工噪声、波束成
型等技术。但是在上行链路中，通信过程同样会受到干扰者的威胁，如干扰者通过发送干扰
信号影响上行链路的信道估计，因而对于干扰者的检测也应该受到关注。
站对于可信信道状态信息的获取；另一个是智能反射面作为无源器件，仅通过部署的反射
元素对信号以一定的角度进行反射，无论是在干扰检测还是信道估计过程中，反射角度都
会产生影响。
发明内容
题，使其能够应用在含有导频攻击的智能反射面无线通信场景中，且不依赖于确切的信道
状态信息完成对于导频攻击的检测，确保通信的安全性。
用户和干扰者与基站之间的直传信道被障碍物阻断，基站接收经过智能反射面反射的来自
合法用户的导频信号和干扰者的干扰信号，并将接收信号投影到智能反射面的反射角度变
换向量集合上，具体包含以下步骤：
和 其中i＝1,…,b，b表示帧的个数， 即
用户在同一帧内发送的L个导频符号为相同的，下标p表示用户发送的导频信号序列，下标e
i2πk/K
表示干扰者发送的干扰导频信号序列，设定一个相移键控PSK符号集合A：A＝{e ,0＜k
＜K}，其中K表示PSK状态个数， 和 中的符号均属于相移键控PSK符号集合A；
后的b‑1个帧中，用户和干扰者各自随机从PSK符号集合A内选择符号组成导频信号序列发
送到智能反射面；
扰者到智能反射面的信道，hui和hei均为N×1维的矢量， 为IRS到基站之间的信道，
为M×N的矩阵，M为基站的天线数，N为智能反射面的反射元素数，θ为智能反射面的N×L反
射矩阵， θ矩阵内的向量 之间相互正交，
其中， 为第n个反射元素在L个导频信号序列的符号间隔内的反射角度向量，
其中， 为智能反射面第n个元素在第个l符号
间隔时的反射角度，j表示虚数单位，(ωn)l取值为0或π，Ψ表示智能反射面反射角度变换向
(i)
量集合，构成集合的行向量之间相互正交，v 表示第i个时隙通信系统信道叠加的噪声，v
(i)
里的每个变量服从均值为0，方差为N0的复高斯分布；
的b‑1个投影信号序列的转置进行点乘,得到 表达式如下：
者向通信系统中的基站发送干扰导频信号序列的功率；
信号xa1的距离d(x)：
(1,i)
＜0，则记中间变量p ＝0，若不存在一个x使得f(x)＜0，则按序遍历PSK集合A所有符号中
的下一个PSK符号，重复本步骤中的上述过程，当遍历完PSK符号集合A中的所有符号时，仍
(1,i)
不存在一个x使得f(x)＜0，则记中间变量p ＝1；
扰检测信号对应的中间变量p ，…，p ，将该b‑1个中间变量记为中间变量序列；
于于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，当导频干扰检测信号的个数b‑1为偶
数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于0的个
数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，若1的个数等于0的个数，则判定此次通信系统中
导频干扰检测无效，完成对智能反射面通信系统中导频干扰的检测。
射角度在干扰检测中的影响，并可衔接于后续通信系统的信道估计；另一方面方案本发明
方法的实施不依赖于确切的信道状态信息就可以完成导频干扰检测，保证了通信系统的安
全性。
附图说明
量L。
具体实施方式
扰者，用户和干扰者与基站之间的直传信道被障碍物阻断，基站接收经过智能反射面反射
的来自合法用户的导频信号和干扰者的干扰信号，并将接收信号投影到智能反射面的反射
角度变换向量集合上，具体包含以下步骤：
和 其中i＝1,…,b，b表示帧的个数， 即
用户在同一帧内发送的L个导频符号为相同的，下标p表示用户发送的导频信号序列，下标e
i2πk/K
表示干扰者发送的干扰导频信号序列，设定一个相移键控(PSK)符号集合A：A＝{e ,0＜
k＜K}，其中K表示PSK状态个数， 和 中的符号均属于相移键控(PSK)符号集合A；
便表示就都记为 干扰者发送的干扰导频信号序列仍用下标e表示，在随后的b‑1个帧
中，用户和干扰者各自随机从PSK符号集合A内选择符号组成导频信号序列发送到智能反射
面；攻击者此时无法获知用户发送的导频信号序列。
扰者到智能反射面的信道，hui和hei均为N×1维的矢量， 为IRS到基站之间的信道，
为M×N的矩阵，M为基站的天线数，N为智能反射面的反射元素数，θ为智能反射面的N×L反
射矩阵， θ矩阵内的向量 之间相互正交，
其中， 为第n个反射元素在L个导频信号序列的符号间隔内的反射角度向量，
其中， 为智能反射面第n个元素在第个l符号
间隔时的反射角度，j表示虚数单位，(ωn)l取值为0或π，Ψ表示智能反射面反射角度变换向
量集合，构成集合的行向量之间相互正交，该变换向量集合说明智能反射面的N个反射元素
(i)
的反射角度在L个导频信号序列符号间隔内变换的角度构成的向量之间相互正交；v 表示
(i)
第i个时隙通信系统信道叠加的噪声，v 里的每个变量服从均值为0，方差为N0的复高斯分
布；
的b‑1个投影信号序列的转置进行点乘,得到 表达式如下：
者向通信系统中的基站发送干扰导频信号序列的功率；
扰者存在时，对智能反射面通信系统中的导频干扰进行检测信号将不再是一个放缩的PSK
信号。对检测步骤如下：
算步骤(2)的导频干扰检测信号 到被放缩了x倍后的PSK信号xa1的距离d(x)：
(1,i)
＜0，则记中间变量p ＝0，若不存在一个x使得f(x)＜0，则按序遍历PSK集合A所有符号中
的下一个PSK符号，重复本步骤中的上述过程，当遍历完PSK符号集合A中的所有符号时，仍
(1,i)
不存在一个x使得f(x)＜0，则记中间变量p ＝1；
扰检测信号对应的中间变量p ，…，p ，将该b‑1个中间变量记为中间变量序列；
于于0的个数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，当导频干扰检测信号的个数b‑1为偶
数值时，若1的个数大于0的个数，则判定通信系统中的存在导频干扰，若1的个数小于0的个
数，则判定通信系统中的不存在导频干扰，若1的个数等于0的个数，则判定此次通信系统中
导频干扰检测无效，完成对智能反射面通信系统中导频干扰的检测。
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。
IRS发送导频干扰信息。用户和干扰者到基站的直传链路被障碍物阻挡。由于基站同时收到
用户和干扰者的导频信息，对其到用户之间信道估计的能力下降。信道状态未知。本发明的
实施条件如下
方式。基站配置多天线。仿真结果如图3和图4所示，图3和图4分别展示了所提发明方法在多
种PSK的调制方式下，系统性能与信噪比和总发送的符号数量之间的关系。另外，图5展示了
在存在干扰者的通信系统中，传统的不执行干扰检测的信道估计和执行完所提干扰检测方
案后的信道估计的性能对比。
于0。图4中的横坐标为发送信号符号总数(Bits),纵坐标为FDP。说明了随着符号数的增加，
系统的误检测率降低，并在发送符号数为80和96时，误检测率的性能变化趋于平缓，并逐渐
接近于0。
行完干扰检测后，信道估计的准确性提高，并且随着天线数量的增加，信道估计性能也有所
改善。