IRS輔助的NOMA無人機網絡安全速率最大化算法

王正強 青思雨 萬曉榆 樊自甫 徐勇軍 多 濱

①(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)

②(成都理工大學計算機與網絡安全學院 成都 610059)

1 引言

隨著制造技術的快速發展和成本的不斷降低，無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)因其在民用領域的潛在用途而受到極大關注。在面對用戶接入數量激增造成的地面基站(Base Station, BS)過載，或緊急救災區基站嚴重不足等問題時，無人機被認為是解決這一問題的可行前景方案[1]，將基站搭載到可移動的無人機上協助地面基站通信，可快速恢復癱瘓的通信服務并有效提高網絡覆蓋。無人機通信與傳統的地面通信相比，一方面，空對地信道有很高的概率被視距(Line of Sight, LoS)鏈路所主導[2]，這有助于建立高數據速率和可靠的傳輸。另一方面，無人機的移動性是可控的，可以利用它來提高通信的性能。

對于B5G(Beyond-5G)網絡，在UAV通信的應用過程中，安裝在UAV上的基站通常需要同時為大量具有嚴格通信要求的地面用戶提供服務[3]。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術允許多個用戶同時復用同一資源塊，可支持大規模用戶連接[4]。NOMA被認為是將UAV整合到B5G網絡中的一個有前途的候選方案。

近年來，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)因其在實現智能可控的無線傳播環境中的重要作用而備受關注[5]，將IRS引入到無人機通信系統可以進一步提高通信質量。然而，無線通信的廣播特性所帶來的安全問題依舊存在，無人機空對地視距信道的優點反而使得無人機發送的信號更容易被地面竊聽者所截獲[6]。

NOMA技術通過對功率域的復用來提高頻譜效率，增加系統容量。NOMA傳輸中，用戶間的串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)解碼順序由信道條件決定，可以利用UAV的移動性或調整IRS反射矩陣，來改變用戶的信道條件。目前已經有很多UAV和IRS的研究，文獻[7-10]考慮的是基于NOMA技術的無人機輔助網絡。文獻[11-14]考慮的是基于NOMA技術的IRS輔助網絡。文獻[15-17]研究了IRS輔助無人機網絡，但文獻[15,16]考慮的是基于時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)協議的網絡，且只考慮了單個用戶的情況，文獻[17]研究的是基于NOMA的網絡最大化和速率問題。然而，當前文獻較少研究IRS輔助的NOMA無人機網絡的安全問題。

本文主要的研究工作如下：

(1)本文提出了一種IRS輔助的無人機網絡的下行NOMA多用戶通信場景，在存在單個竊聽者的情況下，聯合優化UAV的位置、SIC解碼順序、UAV發射功率和IRS反射矩陣來最大化系統安全速率。

(2)本文提出了基于塊坐標下降(Block Coordinate Descent, BCD)的迭代算法，將原始優化問題分解為3個子問題進行交替優化求解。針對第1個子問題，即UAV位置和SIC解碼順序的優化問題，采用基于懲罰的方法和連續凸逼近(Successive Convex Approximation, SCA)方法進行求解。針對第2個子問題，即IRS反射矩陣的優化問題，采用半正定松弛(Semidefinite Relaxation, SDR)和SCA方法進行求解。針對第3個子問題，即UAV發射功率的優化問題，采用SCA方法進行求解。

(3)仿真結果表明，相比于基準方案，本文所提的IRS輔助NOMA無人機方案能提高系統安全速率。

2 系統模型

圖1 系統模型

3 算法優化

基于BCD，將式(5)分為3個子問題，即UAV位置和SIC解碼順序優化、IRS反射矩陣優化、UAV發射功率優化。

3.1 UAV位置和SIC解碼順序優化

式(11)是一個凸優化問題，其最優解可以由凸優化內點算法求解。對于解碼順序A的求解，進行αi,j=round(αi,j)操作，round函數定義為取最近整數，使解滿足0, 1約束。

3.2 IRS反射矩陣優化

由于約束C4c為非凸約束，采用SDR方法，忽略約束C4c，式(14)可以通過求解下界逼近問題式(15)

3.3 UAV發射功率優化

算法1 基于BCD的安全速率最大化算法

4 仿真結果

考慮用戶數K=7，仿真參數設置如下：參考距離1 m處的路徑損耗為ρ0=-30 dB，路徑衰落指數為β0=2 ，萊斯因子為R=10 dB，UAV的高度H= 100 m ，UAV最大允許優化位移δ= 5 m，根據UAV到用戶的距離初始化SIC解碼順序A，UAV的發送功率由最大發射功率初始化，平均分配給各用戶，IRS的相移在 [0,2π)內隨機均勻生成。

算法1在不同IRS反射元件數N和UAV最大發射功率Pmax情況下的收斂情況如圖2所示。本文提出的基于BCD的優化算法隨著迭代次數的增加而收斂，當Pmax=30 dBm時 ，IRS反射元件數N= 240比N= 80情況下的系統安全速率提高了1.55%，當IRS反射元件數N= 240時，UAV最大發射功率Pmax=35 dBm比Pmax=30 dBm情況下的系統安全速率提高了10.3%。

圖2 安全速率隨迭代次數變化曲線

從圖3(a)可以看出，在UAV最大發射功率30 dBm的情況下，算法1所得到的系統安全速率隨著IRS反射元件數的增加而增大。相比該系統中沒有IRS的情況，IRS反射元件數為80時，系統安全速率提高5.1%。相比系統使用OMA協議且沒有放置IRS的情況，使用NOMA協議但沒有放置IRS的系統安全速率提高了11倍。

圖3 安全速率變化曲線

從圖3(b)可以看出，在IRS反射元件數N= 80的情況下，算法1所得到的系統安全速率隨著UAV最大發射功率的增加而增大。相比該系統沒有IRS的情況，Pmax=30 dBm時，系統安全速率提高5.1%，相比系統使用OMA協議且沒有放置IRS的情況，Pmax=30 dBm時，使用NOMA協議但沒有放置IRS的系統安全速率提高了11倍。

將用戶位置隨機均勻分布在半徑為10 m的圓形區域內，在IRS反射元件數為80，UAV最大發射功率為30 dBm的情況下，安全速率隨用戶個數的變化曲線如圖3(c)所示。用戶個數越多，系統安全速率越大。在不同用戶個數下，本文提出的方案都優于基準方案。

5 結論

本文研究了IRS輔助的NOMA無人機網絡的安全速率，提出一種聯合UAV位置、SIC解碼順序、IRS反射矩陣和UAV反射功率的優化算法來實現系統安全速率最大化。首先，分析了IRS輔助的NOMA無人機網絡模型；其次，構建安全速率優化問題；然后，采用懲罰函數、SDR、SCA等方法對優化問題進行處理并求解；最后，通過與其他方案對比，利用仿真，驗證了本文所提算法的有效性。在下一步的研究工作中可以考慮多無人機協同或多個IRS協作來提高系統安全性能，還可以考慮實際應用中會遇到的一些問題，如相位誤差[22]和反射單元數目配置[23]等。