基于智能反射面輔助的無人機中繼系統安全通信方法

盧為黨 曹明鋒 高 原 曹 江* 花俏枝 李 博 趙 楠

①(浙江工業大學信息工程學院 杭州 310023)

②(中國人民解放軍軍事科學院戰爭研究院 北京 100091)

③(湖北文理學院計算機工程學院 襄陽 441053)

④(哈爾濱工業大學(威海)科學與工程學院 威海 264209)

⑤(大連理工大學信息與通信工程學院 大連 116024)

1 引言

隨著科技的發展，無線通信網絡越來越成熟，但是由于無線信道的廣播性和開放性，無線通信信號的安全傳輸越來越受到學術界的重視[1]。物理層安全利用無線信道的隨機性，如干擾、衰落和噪聲等實現無線通信信號的安全傳輸[2]。為了最大限度地提高安全傳輸速率，人工噪聲[3]、協同干擾[4]和多天線波束成形[5]等技術受到了廣泛的研究。然而，這些方法不可避免地為通信系統帶來了額外的消耗和干擾，并且當合法通信鏈路和竊聽鏈路的信道在空間上高度相關時，使用上述技術對系統性能的提升也是有限的。

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)由大量的無源反射單元組成，能夠智能配置無線信號的傳播環境，每個反射單元都能以軟件控制的方式調整接收信號的相移和幅度，通過聯合控制所有反射元件的相移，改變反射信號的傳輸方向，從而提高通信系統的安全傳輸[6–8]。文獻[9]研究了IRS輔助多輸入單輸出安全通信問題，通過優化基站的發射功率和IRS相移來最大化系統的保密速率。文獻[10]考慮了多接收端和多竊聽者情況下，IRS輔助的下行鏈路多輸入單輸出廣播系統，聯合優化基站波束成形和IRS相移來最大化所有用戶中的最小保密速率。文獻[11]研究了一種IRS輔助的頻譜共享認知無線電通信系統，根據二次發射機的總功率約束、主接收機的干擾功率約束，提出了一種交替優化算法提高用戶的保密速率。針對IRS輔助多輸入多輸出通信系統，文獻[12]考慮是否擁有竊聽者完美信道狀態信息，分別提出一種交替優化算法和人工噪聲輔助傳輸方案來提高保密速率。

現有的大多數研究工作中，IRS主要固定在建筑物外壁上，由于IRS實際布置位置選擇的困難性和壁掛IRS服務范圍的局限性，對于無線通信系統的性能帶來一定的限制[13]。無人機(Unmanned Air Vehicle, UAV)具有高靈活性、易調度等特點[14–17]，可以為IRS的位置部署提供更多的自由度，因此結合IRS和UAV的優勢可以進一步提高無線通信的性能。文獻[18]研究了IRS-UAV輔助的多輸入單輸入非正交多址接入(Nonorthogonal Multiple Access,NOMA)下行通信系統中用戶服務質量問題，通過優化UAV位置、波束成形向量和IRS相移，在滿足弱用戶服務質量情況下最大化強用戶的服務質量。文獻[19]針對 IRS輔助UAV中繼通信系統，得到了多個竊聽者情況下的保密中斷概率表達式并用仿真結果進行了驗證。文獻[20]研究了IRS-UAV輔助上行鏈路無線通信系統的安全能源效率最大化問題，通過聯合優化UAV的軌跡、IRS的相移、用戶關聯系數和基站發射功率來最大化系統的安全速率。

然而，目前大部分IRS結合UAV的研究中沒有考慮系統下行鏈路的安全傳輸問題，為了提高IRS輔助UAV通信系統下行鏈路的安全傳輸性能，本文提出了一種基于IRS輔助UAV中繼系統安全傳輸方法，主要貢獻如下：

(1)建立了一個基于IRS輔助的UAV中繼系統模型，考慮UAV飛行區域、基站的發射功率和IRS反射相移的限制，通過聯合優化UAV位置，基站的波束成形和IRS相移約束，最大化系統的最小保密速率。

(2)利用交替優化思想，將優化問題分解為UAV位置優化子問題、波束成形和IRS相移優化子問題，通過1階泰勒展開方法處理子問題中的非凸項，將非凸子問題轉化為凸優化問題。

(3)仿真結果證明本文所提出的方法能夠提高系統中的最小保密速率，并且具有良好的收斂性。

2 系統模型與優化問題

圖1 IRS輔助的UAV中繼系統模型

式(9a)表示UAV布置在某個區域范圍內，式(9b)表示基站的發射功率上限為P，式(9c)表示IRS每個反射單元的相移約束。

3 問題求解

由于目標函數是非凸的，該優化問題難以直接求解，將優化問題式(9)分解為無人機位置優化、基站波束成形和IRS相移優化兩個子問題，使用1階泰勒展開將非凸子問題轉化為凸問題，然后使用交替優化的方法進行求解。首先假設基站波束成形向量和IRS相移已知，優化無人機的位置；然后根據所得的無人機位置，優化基站波束成形向量和IRS相移。

3.1 UAV位置優化

優化問題式(22)是一個凸優化問題，可以用凸優化工具箱CVX進行求解。

3.2 波束成形向量以及IRS相移優化

圖2給出了最小保密速率和基站發射功率關系，方案1和方案2分別表示UAV固定在用戶1和用戶2上方，按照本文方法對波束成形向量和IRS相移進行優化，方案3表示無IRS輔助通信，基站和用戶之間通過信道質量很差的直接鏈路進行通信，僅基站作安全波束成形時系統的最小保密速率。從圖2可以看到，所有情況下最小保密速率都隨著基站發射功率增大而增大，這時基站發射功率越大用戶處的接收功率越大，最小保密速率相應的增大，這表明可以通過增大基站發射功率來提升系統性能。另外可以看到方案1和方案2性能比本文算法差，這是因為本文所提算法在考慮用戶和竊聽者分布情況下優化了無人機的位置，進一步增大系統的最小保密速率。同時可以看到方案3性能遠遠低于其他3個方案，這表明在傳統無線通信系統中使用IRS來輔助通信能夠顯著提高系統的安全通信性能。

圖2 最小保密速率與基站發射功率關系

圖3給出了最小保密速率和IRS反射單元數量關系。從圖中可以看出隨著IRS反射單元數量的增加，系統的最小保密速率增大。這是因為IRS反射單元越多，能夠帶來更大的陣列增益，使得到達接收端的信號功率越大，提高系統的最小保密速率。

圖3 最小保密速率與IRS反射單元數量關系

4 仿真結果與分析

表1 優化過程

此外可以看到無人機高度越高，最小保密速率越小，由于無人機越高越會增大空對地信道的路徑長度，帶來更大的路徑損耗，使得用戶的接收功率下降。

圖4給出了最小保密速率和基站天線數量關系。從圖4可以看出，最小保密速率隨著基站天線數量的增大而增加，但是繼續增大基站天線數量最小保密速率的提升很小。這是因為一定范圍內增大基站天線數量，波束成形的方向性會更好，使得集中在IRS處的信號功率增大，反射到用戶的信號功率增大。但是由于基站分配到所有天線上總的發射功率有限，當波束成形方向性足夠好時，繼續增大天線數量并不能大幅度提高集中在IRS處的信號功率，因此對于系統性能的提升有限。

圖4 最小保密速率與基站天線數量關系

圖5給出了最小保密速率收斂情況。從圖中可以看出本文算法在迭代幾次后達到收斂，表明算法具有良好的收斂性。同時可以看出基站發射功率越大，IRS反射單元數量越多，則系統中的最小保密速率也越大。

圖5 最小保密速率與迭代次數關系

5 結束語

本文提出了一種基于IRS輔助的UAV中繼系統的安全通信方法, 通過聯合優化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移，最大化系統的最小保密速率。通過將原問題分解為不同的子問題，利用1階泰勒展開等方法，將原優化問題轉化為凸優化問題，最后使用交替優化算法求解。通過仿真結果驗證說明了本文所提方法的有效性和良好的收斂性。