本發(fā)明涉及一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，屬于通信。
背景技術(shù)：
1、語(yǔ)義通信是緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞和提高通信效率的有效解決方案，是第六代(sixthgeneration,6g)通信技術(shù)中一項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)。通過(guò)利用機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)大的知識(shí)提取能力，語(yǔ)義編碼可以使用語(yǔ)義符號(hào)表征任務(wù)執(zhí)行所需的基本信息，能夠有效減小冗余信息，緩解頻譜稀缺問(wèn)題。然而，頻譜的開(kāi)放性帶來(lái)了語(yǔ)義竊聽(tīng)的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的物理層安全不同，安全語(yǔ)義通信對(duì)語(yǔ)義層的隱私保護(hù)提出了新的要求，如何應(yīng)對(duì)開(kāi)放的語(yǔ)義竊聽(tīng)是一個(gè)棘手的問(wèn)題。
2、近來(lái)，智能反射面(intelligent?reflective?surface,irs)因其能夠以低成本方法重塑信號(hào)傳播而備受矚目，被廣泛用于提高頻譜效率和安全性能。具體來(lái)說(shuō)，irs是一個(gè)由無(wú)數(shù)可編程無(wú)源反射元件和一個(gè)微型控制中心組成的平面陣列。與人工干擾、中繼基站和其他功率放大技術(shù)相比，irs能夠利用無(wú)源反射操縱信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高能量效率。目前還鮮有研究irs輔助的安全語(yǔ)義通信網(wǎng)絡(luò)的工作，而這種網(wǎng)絡(luò)可以利用irs的信號(hào)重塑能力來(lái)抑制語(yǔ)義竊聽(tīng)并提高安全語(yǔ)義性能。lingyi?wang等人的論文“intelligent?resourceallocation?for?transmissionsecurity?on?irs-assisted?spectrum?sharing?systemswith?ofdm”(physical?communication)深入探討了irs輔助的安全頻譜共享通信網(wǎng)絡(luò)，其中irs能有效減輕次級(jí)網(wǎng)絡(luò)干擾并抑制竊聽(tīng)強(qiáng)度。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用irs可以高效地處理干擾問(wèn)題和竊聽(tīng)問(wèn)題。l.yan,z.qin等人在“resource?allocation?for?text?semanticcommunications”(ieee?wireless?communications?letters(2022)中為了進(jìn)一步研究語(yǔ)義通信資源分配問(wèn)題。作者提出了一種基于匹配算法和窮舉算法的資源分配優(yōu)化方案。然而，在大規(guī)模系統(tǒng)中，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)算法會(huì)帶來(lái)高系統(tǒng)延遲，無(wú)法滿足語(yǔ)義通信系統(tǒng)對(duì)于智能性和結(jié)果實(shí)時(shí)性的需求。因此，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(deep?reinforcement?learning,drl)的優(yōu)化方案能表現(xiàn)出更高的實(shí)時(shí)性和智能性，并且與人工智能驅(qū)動(dòng)的語(yǔ)義通信網(wǎng)絡(luò)兼容性更好。在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界，drl已被廣泛用來(lái)快速解決大規(guī)模復(fù)雜問(wèn)題。此外，現(xiàn)有研究還未涉及將irs應(yīng)用在安全語(yǔ)義通信領(lǐng)域以增強(qiáng)語(yǔ)義層安全傳輸效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提出了一種基于drl的智能語(yǔ)義資源分配方法，該方法利用基于sac-ddqn的混合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，以最大化安全語(yǔ)義頻譜效率。本發(fā)明可以高效地解決包含耦合變量的非凸優(yōu)化問(wèn)題，且可以顯著地提升語(yǔ)義通信系統(tǒng)安全語(yǔ)義頻譜效率。
2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種irs增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，該方法包括如下步驟：
3、步驟1：建立irs輔助的語(yǔ)義通信系統(tǒng)模型；
4、步驟1-1：建立安全語(yǔ)義通信系統(tǒng)模型，提出一種新穎的安全語(yǔ)義頻譜效率指標(biāo)聯(lián)合考慮物理層安全和語(yǔ)義層安全
5、步驟1-2：建立irs輔助的語(yǔ)義傳輸系統(tǒng)。確定基站位置、d個(gè)用戶(hù)位置、e個(gè)竊聽(tīng)者位置及irs位置，對(duì)基站到irs、irs到d個(gè)用戶(hù)、irs到e個(gè)竊聽(tīng)者、基站到d個(gè)用戶(hù)和基站到e個(gè)竊聽(tīng)者之間的信道進(jìn)行建模，獲取信道增益；
6、步驟2：建立安全語(yǔ)義頻譜效率最大化問(wèn)題；
7、步驟3：目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為馬爾可夫問(wèn)題，設(shè)定基站控制中心為智能體，能夠連接irs控制中心，設(shè)計(jì)狀態(tài)空間、動(dòng)作空間、回報(bào)函數(shù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，建立強(qiáng)化學(xué)習(xí)基礎(chǔ)模型；
8、步驟4：利用基于ddqn-sac的混合算法聯(lián)合優(yōu)化語(yǔ)義比特、子信道分配、和irs陣元反射系數(shù)，最大化安全語(yǔ)義頻譜效率。具體包括以下步驟：
9、步驟4-1：基于形成的馬爾可夫問(wèn)題，設(shè)計(jì)ddqn-sac的安全語(yǔ)義資源分配算法；
10、步驟4-2：訓(xùn)練語(yǔ)義編碼網(wǎng)絡(luò)，獲得記錄物理比特和語(yǔ)義向量映射關(guān)系的碼本；
11、步驟4-3：在設(shè)定仿真環(huán)境中，智能體與系統(tǒng)交互，獲得訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，智能體序列決策語(yǔ)義比特、子信道分配、和irs陣元反射系數(shù)，并在irs輔助安全語(yǔ)義通信系統(tǒng)中驗(yàn)證動(dòng)作有效性，計(jì)算得到獎(jiǎng)勵(lì)值。每步迭代產(chǎn)生的系統(tǒng)狀態(tài)序列、動(dòng)作選擇情況、獎(jiǎng)勵(lì)值存入經(jīng)驗(yàn)池；
12、步驟4-4：算法參數(shù)更新。當(dāng)智能體與環(huán)境交互滿足設(shè)定次數(shù)后，通過(guò)回放存儲(chǔ)在經(jīng)驗(yàn)池的經(jīng)驗(yàn)，智能體以最小化損失函數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)反向梯度對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行更新，回到步驟4-3至訓(xùn)練結(jié)束；
13、步驟4-5：算法收斂，將各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行本地保存。
14、步驟5：在真實(shí)通信系統(tǒng)中，通過(guò)基于ddqn-sac的安全語(yǔ)義資源分配方法獲得語(yǔ)義比特、子信道分配、和irs陣元反射系數(shù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
15、有益效果：
16、1、本發(fā)明將irs應(yīng)用于安全語(yǔ)義通信，irs能夠增強(qiáng)合法用戶(hù)語(yǔ)義任務(wù)表現(xiàn)，同時(shí)抑制竊聽(tīng)者竊聽(tīng)語(yǔ)義信息。與傳統(tǒng)中繼基站安全方案相比，irs輔助安全語(yǔ)義傳輸系統(tǒng)能夠以一種低能耗方式增強(qiáng)安全語(yǔ)義頻譜效率。
17、2、本發(fā)明提出一種新穎的語(yǔ)義安全頻譜效率指標(biāo)，聯(lián)合考慮了物理層安全和語(yǔ)義層安全。
18、3、本發(fā)明提出了基于ddqn-sac的安全語(yǔ)義資源分配算法。該算法能夠智能地聯(lián)合優(yōu)化語(yǔ)義比特、子信道分配、和irs陣元反射系數(shù)，最大化安全語(yǔ)義頻譜效率。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明基于ddqn-sac的安全語(yǔ)義資源分配算法資源分配算法具備良好的收斂性且能高效地處理目標(biāo)非凸問(wèn)題。
19、4、本發(fā)明通過(guò)部署一個(gè)可編程irs，輔助基站對(duì)智能設(shè)備語(yǔ)義傳輸以達(dá)到所要求安全語(yǔ)義通信效率，通過(guò)建模一種聯(lián)合語(yǔ)義比特、子信道分配、和irs陣元反射系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，得以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全語(yǔ)義頻譜效率最大化。在資源分配方法中使用基于ddqn-sac智能算法，能夠與機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的語(yǔ)義通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。仿真結(jié)果表明，與其他多種基準(zhǔn)方法相比，本發(fā)明提出的irs輔助安全語(yǔ)義通信系統(tǒng)和安全語(yǔ)義資源分配方法可以顯著提高增強(qiáng)安全語(yǔ)義頻譜效率，同時(shí)具有良好收斂效果。
1.一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，其特征在于，所述步驟1-1包括：建立安全語(yǔ)義通信系統(tǒng)模型，提出一種新穎的安全語(yǔ)義頻譜效率指標(biāo)聯(lián)合考慮物理層安全和語(yǔ)義層安全
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，其特征在于，所述步驟1-2包括：建立irs輔助的語(yǔ)義傳輸系統(tǒng)，確定基站位置、d個(gè)用戶(hù)位置、e個(gè)竊聽(tīng)者位置及irs位置，對(duì)基站到irs、irs到d個(gè)用戶(hù)、irs到e個(gè)竊聽(tīng)者、基站到d個(gè)用戶(hù)和基站到e個(gè)竊聽(tīng)者之間的信道進(jìn)行建模，獲取信道增益，如下定義；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，其特征在于，所述步驟2包括：定義ρd，c代表第d個(gè)用戶(hù)是否占用第c個(gè)子信道，如果第d個(gè)用戶(hù)占用第c個(gè)子信道，則ρd,c＝1，否則，ρd，c＝0，安全語(yǔ)義頻譜效率表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能反射面增強(qiáng)的安全語(yǔ)義頻譜效率最大化方法，其特征在于，所述步驟3包括：目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為馬爾可夫問(wèn)題，設(shè)定基站控制中心為智能體，能夠連接irs控制中心，設(shè)計(jì)狀態(tài)空間、動(dòng)作空間、回報(bào)函數(shù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，建立強(qiáng)化學(xué)習(xí)基礎(chǔ)模型；