一種智能超表面輔助的非視距安全通信方法

高建邦,高國旺

(西安石油大學 電子工程學院,陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著移動通信技術的進步,無線通信在軍事、民用等領域中得到廣泛應用,物聯網[1]、無人機通信[2]、車聯網[3]等新型無線系統也得到了蓬勃發展。然而,由于無線信道的開放性,傳輸信息易被竊聽者攔截或竊聽[4-6]。尤其在萬物互聯和無線通信數據量日益增多的今天,確保信息的安全顯得尤為重要,信息安全將成為無線通信發展的重點和難點。傳統無線通信主要依靠高層加密技術保證信息的安全。隨著移動設備的增加和超級計算機的出現,依靠高層加密技術的無線通信中不斷出現信息泄露問題。信息安全面臨越來越大的挑戰。

與傳統加密技術不同,物理層安全技術利用無線信道固有屬性為無線通信提供更基礎的安全保障[7]。陣列天線是一種新興的多天線物理層安全技術,其利用期望信道與竊聽信道的差異性,實現信息的安全傳輸[8-11]。然而陣列天線技術并非十全十美,目前仍然存在理論研究和實際應用上的問題亟待解決。隨著無線通信可以提供更多的頻率資源,更高的窄帶波束方向性和分辨率,以及更快的數據傳輸速率時,也會帶來信號傳輸過程中產生的自由路徑衰減嚴重,易被遮擋的傳輸問題。對傳輸功率不足以及不存在直接傳輸鏈路時的安全通信問題,值得進一步考慮。

目前,多數文獻研究視距無阻擋情況下的物理層安全傳輸問題,對發射機與用戶存在阻擋的通信場景研究較少[12]。根據電磁學和天線理論,微波頻段信號的散射、衍射能力差,以及在傳播過程中產生的衰減和空間自由路徑損耗大[13],造成長距離通信可靠性不足。因此,容易出現發射機與期望用戶之間直傳鏈路通信效果差,甚至因阻擋而不存在直傳鏈路的通信場景,常規的物理層安全傳輸方法不能確保信息安全傳輸。針對此類問題,提出智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)輔助的陣列天線物理層安全傳輸方法。與傳統中繼等主動轉發設備相比,RIS 技術不需要額外的功率消耗,僅依靠低成本無源器件來反射接收信號,達到綠色通信的目標[14]。

2 RIS輔助的頻控陣系統模型

如圖1所示,考慮多輸入單輸出(Multiple-Input Single-Output,MISO)通信系統。在系統模型中,頻控陣由N根天線組成,RIS由M個低成本的反射單元組成,反射單元由一個單天線期望用戶和多個位置未知的被動竊聽者組成。RIS基于控制器動態調整入射信號相移,以幫助信息可靠傳輸。假設RIS反射兩次或兩次以上的信號功率可以忽略不計。

圖1 智能超表面輔助的頻控陣系統模型

發射機采用隨機對數頻控陣列天線,即頻率增量為

ΔfLR=PTΔf,

(1)

其中,P=[c1,c2,…,ci,…,cN],其中ci表示第i個元素為1的單位列向量,同時i∈{1,2,…,N},隨機產生且不重復出現;Δf表示標準對數頻控陣的頻率增量。

竊聽者會在發射機-RIS和RIS-期望用戶兩個傳輸路徑上竊取信息,造成很大的安全隱患。可以采用人工噪聲加擾技術加大對竊聽者的干擾,提高系統安全性。首先,發射機對輸入比特流進行相位調制,得到調制符號x∈Ω,Ω為調制符號集合且符合歸一化條件,即E[|x|2]=1。隨后,對調制符號進行加權處理,并引入人工噪聲,得到最終的輻射信號矢量:

s=wx+(PAN)1/2vAN,

(2)

3 RIS輔助物理層安全傳輸系統與問題描述

由于RIS技術的引入,期望用戶可以接收到發射機直傳信號和RIS反射信號,其接收信號表示為

(3)

將式(2)代入式(3),得到

(4)

竊聽者會在發射機-RIS傳輸路徑和RIS-期望用戶傳輸路徑上竊取信息。因此,將竊聽者接收到的信號表示為

(5)

將式(2)代入式(5),得到

(6)

接下來計算人工噪聲矩陣。根據人工噪聲對竊聽者進行干擾的同時不影響期望用戶接收信號的準則,即期望用戶接收到的信號中含有人工噪聲的表達式為零。因此,人工噪聲矩陣由下式計算得到:

(7)

(8)

根據零空間映射準則,計算得到

(9)

其中,H2=[hAL,hARL]。

將式(9)代入式(4)中得到期望用戶最終的接收信號:

(10)

分析式(10),期望用戶接收的信號包括3部分:第1部分為發射機直傳信號;第2部分為RIS反射信號;第3部分為常規信道加性高斯白噪聲。可以看出,即使在發射機與期望用戶之間因阻擋而不存在直傳鏈路場景中,期望用戶依然可以通過接收RIS的反射信號保證通信的可靠性。通過設計波束成形矢量和反射系數矩陣,提高系統的可靠性和安全性。

分析式(6),竊聽者接收的信號包括5部分:第1部分為竊聽者在發射機-RIS傳輸路徑上接收到幅度和相位擾亂的調制符號;第2部分為竊聽者在發射機-RIS傳輸路徑上受到的人工噪聲干擾;第3部分是竊聽者在RIS-期望用戶傳輸路徑上接收到幅度和相位擾亂的調制符號;第4部分為竊聽者在RIS-期望用戶傳輸路徑上受到的人工噪聲干擾;第5部分是常規信道加性高斯白噪聲。為了提高系統的安全性能,設計優化波束成形矢量和RIS反射系數矩陣以加大竊聽者接收調制符號的幅度和相位擾亂程度,以及人工噪聲對竊聽者的干擾程度。

4 RIS輔助的物理層安全傳輸方法

在實際應用中,RIS反射表面將吸收一定入射波,同時會在非期望方向上產生寄生反射,從而降低反射效率。為了方便分析,假設RIS中的幅度反射系數α=1。

實際通信中無法準確獲得竊聽者的位置信息,此時主要依靠人工噪聲對竊聽者干擾,使其無法正常解調出機密信息。假設系統總傳輸功率固定,而最大化人工噪聲干擾功率方法的設計準則是在期望用戶滿足最低信號接收功率的約束下,最大化人工噪聲的發射功率,以加大對竊聽者的干擾。假設向量φ=[φ1,φ2,…,φM]H=[ejθ1,ejθ2,…,ejθM]H。優化問題描述為

(11)

其中,M表示RIS反射元件的集合;γ表示期望用戶可靠接收信號的最低SINR要求。

(12)

根據文獻[15]可知,對任意給定的RIS反射元件相移矢量φ,優化問題式(12)中的最優波束成形矢量為

(13)

將式(13)代入式(12),得到最優調制符號發射功率:

(14)

通過分析式(14),最小調制符號發射功率等價于最大期望用戶的組合信道功率增益,即式(12)轉換為

(15)

(16)

將式(16)代入式(15)中,得到

(17)

式(17)仍然是非凸的,無法通過傳統的凸優化得到最優解。通過引入輔助變量μ,式(17)進一步轉換為

(18)

根據SDR求解方法,首先引入矩陣變量A∈C(M+1)×(M+1),表示為

(19)

矩陣變量A0,并且rank(A)=1。同時:

(20)

然后將式(19)和式(20)代入式(18),得到

(21)

式(21)為凸優化問題,可以通過常規凸優化工具得到最優解。

5 仿真結果與分析

圖2 單期望戶仿真場景設置

表1 數值仿真主要參數

5.1 可靠性分析

(a) 期望用戶位置(20 m,50 m,0)

5.2 安全性分析

通過數值仿真分析評估所提傳輸方法的安全性能,并與以下2種基準方法進行對比:① 基于常規頻控陣安全傳輸方法,不采用RIS;② 基于RIS的相控陣安全傳輸方法。

圖4 給出了不同物理層安全傳輸方法時發射天線數與安全容量之間的關系。從圖中可以明顯看出,傳統頻控陣安全傳輸方法由于沒有配備RIS設備,在發射機與用戶存在阻擋的場景中幾乎無法使期望用戶可靠接收信息,導致信息不能及時傳輸到期望用戶,在軍事以及救援等應急領域中會造成極大的損失。然而,基于相控陣安全傳輸方法不能在距離維上保證信息安全傳輸。從圖中可以看出,竊聽者1與RIS角度相同,距離不同,在發射機-RIS鏈路上傳輸保密信息時會被竊聽者竊取,系統安全容量幾乎為零。文中所提方法采用了頻控陣天線技術、人工噪聲加擾技術和RIS技術,因此在發射機與用戶存在阻擋,且傳輸過程存在多個被動竊聽者的情況下,依然可以獲得較高的安全容量。另外,隨著發射天線數目的增加,系統安全容量隨之增加,但天線數目的增加不會導致安全容量無限制的增加,最終都會達到一定的安全容量值并保持穩定狀態。

圖4 安全容量與發射機天線數關系曲線

圖5給出了系統安全容量與RIS反射元件的關系。顯然,所提方法優于其他基準方法。隨著RIS反射元件的增多,基于所提方法的系統安全容量也隨之上升,而其他兩種方法的安全容量始終保持在較低的水平。隨著RIS反射元件的增多,系統所需的最小調制符號發射功率也隨之下降,因而可以給人工噪聲分配更多的能量,加大了對竊聽者的干擾。對于傳統頻控陣安全傳輸方法,由于沒有配備RIS,在發射機-期望用戶直傳鏈路存在阻擋時,無法保證期望用戶可靠接收信息。相控陣與RIS結合的安全傳輸方法不能在距離維上保證信息的安全。

圖5 安全容量與RIS反射元件數關系曲線

6 結 論

文中敘述了一種RIS輔助的非視距物理層安全傳輸方法。首先,建立了基于RIS的頻控陣系統模型。其次,在確保期望用戶可靠接收信號的同時以最大化人工噪聲干擾功率為目標,聯合優化發射波束成形矢量和RIS反射系數矩陣,并利用輔助變量和半定松弛等方法獲得最優解。最后通過大量的數值仿真,表明文中基于RIS的物理層安全傳輸方法可以實現非視距場景下的安全通信。