双智能反射平面辅助无线携能通信系统的安全通信优化

2022-02-12陈健锋崔苗张广驰武庆庆曾慧

电信科学 2022年1期

陈健锋，崔苗,，张广驰,，武庆庆，曾慧

研究与开发

陈健锋1，崔苗1,2，张广驰1,3，武庆庆4，曾慧2

（1. 广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006；2. 中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州 510310；3. 广东省信息光子技术重点实验室，广东广州 510006；4. 澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室，澳门 999078）

研究采用两个智能反射平面保障无线携能通信系统信息传输的物理层安全。通过联合优化两个智能反射平面的反射波束成形和基站的发射波束成形以最大化系统的总信息传输速率，同时满足基站的发射功率约束、能量收集用户的最小能量收集约束与最大窃听速率约束，以及智能反射平面反射系数的模一约束。由于存在两个智能反射平面之间的反射链路，所构建优化问题的优化变量高度耦合，难以直接求解。提出一种基于交替优化、半正定松弛和连续凸逼近的算法求问题的次优解。仿真结果表明，与现有的基准方案相比，所提算法能在保证信息传输安全和满足能量传输要求的情况下大幅提高系统的总数据速率。

双智能反射平面；无线携能通信；物理层安全

0 引言

随着物联网的日益普及和5G的全球性商用，学术界和工业界开始针对6G展开相关研究。除了速率比5G网络提高10～100倍外，6G网络还具有智能和开放的特性[1-2]。智能反射平面（intelligent reflecting surface，IRS）技术作为6G关键技术，能提高无线通信频谱和能源效率，成为近年来工业界研究的热点[3-5]。IRS利用大量低成本无源元件通过自适应动态调整反射信号的相移，重新配置无线传播信道，使通信性能得到进一步优化。与传统的有源波束成形技术相比，IRS消除了信号的放大和再生，从而享受更低的硬件成本、能耗和干扰[5]。文献[6]研究了IRS辅助基于轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）的通信系统，通过联合优化基站发射功率和IRS的反射系数以最大化系统速率。文献[7]则研究了在干扰信道中利用多个IRS辅助系统通信，通过联合优化基站发射功率和IRS的反射系数以最大化可实现的速率区域。

另一方面，无线携能通信（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）技术从提出至今已经得到广泛的研究[8-11]，因其能在无线传感器网络、工业互联网等场景中为大量低功耗设备供电，被认为是未来物联泛在网络的关键技术[12]。例如，在无线传感器网络场景中，一些传感器节点由于部署环境限制等原因，存在难以供电的问题，因此利用SWIPT技术在信息传输的同时对节点进行能量传输，能解决传感器节点的供电问题，扩大传感器网络的应用范围，提高使用灵活性。

将IRS与SWIPT相结合，能同时发挥两种技术的各自优势。一方面，IRS能建立高质量虚拟视距的反射链路，通过优化IRS的被动波束成形，能有效提高用户信噪比，且信噪比随IRS反射单元的数目呈二次方增加，因而IRS能提高信息传输性能[3]。另一方面，IRS的智能反射能有效补偿无线射频信号的路径损耗，从而在IRS附近建立有效的能量收集区域，提高能量传输效率。文献[13]考虑了一个IRS辅助下行SWIPT的多输入单输出（multiple-input single-output，MISO）系统，基站向不同用户分别发送信息和功率，通过交替优化基站的发射功率和IRS的反射相移以最大化能量收集用户收到的能量。文献[14]考虑了一个IRS辅助下行SWIPT的多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）系统，通过联合优化基站的波束成形和IRS的反射系数在信道不完备的条件下最大化信息收集用户的速率。文献[15]则研究了一个IRS辅助下行SWIPT的MISO系统，基站将数据和能量一起发送给一组用户，用户采用功率分裂（power splitting，PS）的方式解码数据并获取能量，通过联合优化基站的波束成形、功率分裂因子和IRS处的反射相移以最大化能源效率。但是，已有的研究均未考虑双IRS辅助SWIPT系统进行通信。传统的单IRS辅助SWIPT系统由于路径损耗的存在，存在服务范围较小、难以同时满足信息收集用户与能量收集用户的服务质量（quality-of-service，QoS）等问题。通过部署两个不同的IRS在能量收集用户群和信息收集用户群附近，引入了两个IRS之间的反射链路，能为无线携能通信提供新的路径，增加新的优化自由度，不仅能提高能量收集用户和信息收集用户的服务质量，而且能有效增加系统的服务覆盖范围。

SWIPT系统的信息传输容易受到窃听，信息通信安全已经成为该系统亟待解决的关键问题之一。例如，为了满足充能需求，能量收集用户通常比信息收集用户更加靠近基站，具有更高的信道增益，由于信息信号和能量信号是同时传输的，能量收集用户往往比信息收集用户接收到更强的信息信号，因此窃听信息收集用户的隐私信息成为可能。近年来，除了在应用层上采用传统的加密方法外，为现代无线通信所设计的物理层安全（physical layer security，PLS）的方法已经被提出，如协作中继[16]、人工噪声[17]和协同干扰[18]等。同时，一些PLS相关问题的研究已经应用到IRS辅助的通信系统之中[19-23]。文献[19]首先研究IRS辅助的多天线系统的物理层安全问题，通过优化基站的波束成形和IRS的反射系数，相较于无IRS的情况能大大提高信息保密率。文献[20]提出了一种鲁棒传输波束成形的算法以及采用人工噪声的方法降低多天线窃听者的窃听速率以实现IRS辅助系统中的安全通信。文献[21]则首次应用双IRS辅助系统通信，在考虑了IRS之间的反射链路的情况下，通过联合优化基站的波束成形和IRS的反射相移来最大化系统安全速率。文献[22]考虑了一个IRS辅助SWIPT的MISO系统，其中能量收集用户为潜在窃听者，通过联合优化基站处的波束成形向量和人工噪声矩阵以及IRS处的反射相移最大化系统的能量效率。文献[23]则考虑了一个IRS辅助SWIPT的MIMO系统，其中能量收集用户是潜在窃听者，通过联合优化基站的发射功率和IRS的反射相移最大化系统保密率。但是，文献[13-15]均没有考虑传输过程中的安全性问题，文献[19]、文献[21]和文献[23]只考虑了单个用户和单个窃听者的情况，文献[20]虽然考虑了多用户和多窃听者的存在，但是没有考虑无线能量传输的场景。因此，上述工作虽然研究了IRS辅助SWIPT系统的安全通信，但是双IRS辅助SWIPT系统且考虑IRS之间反射链路的安全通信还没有文献报道，其中同时保证多个用户的信息传输安全和能量接收质量是研究的难点。

综上所述，本文研究一个由双IRS辅助的下行SWIPT多用户安全通信系统，其中部署了两个IRS去辅助系统的信息和能量传输。研究通过联合优化IRS的反射系数以及基站的发射波束成形，在满足基站发射功率约束、能量收集用户的最低能量传输要求与最大窃听速率约束，以及IRS反射系数的模一约束的条件下，最大化信息传输总速率。与单IRS系统优化相比，双IRS优化不仅要考虑两个IRS分别到用户之间的反射信道，还需要考虑如何更好地利用两个IRS之间更好的信道来实现协作波束成形增益，并且双IRS辅助的SWIPT系统的服务覆盖范围更广，既能限制能量收集用户的窃听速率，保障信息传输的物理层安全，又确保能量传输达到要求。本文的创新点可以归纳为以下两点。

为保障SWIPT系统信息传输的绝对安全性，考虑所有能量接收用户均为潜在的窃听者，利用两个IRS创建的额外反射链路来辅助无线携能通信，既能提高信息传输速率和能量传输功率，又能确保信息安全。相关研究还没有文献报道。

本文所考虑的优化问题为非凸优化问题且优化变量高度耦合，使得难以求得问题的全局最优解。首先引入松弛变量，将各优化变量进行解耦，接着采用半正定规划（semidefinite programming，SDP）、半正定松弛（semidefinite relaxation，SDR）和连续凸逼近（successive convex approximation，SCA）等方法将非凸优化问题转化为可解的凸优化问题，再采用交替优化（alternating optimization, AO）和高斯随机法求得问题的高质量可行解。在求解过程中的优化变量解耦和子问题恒等变形上具有一定的创新性。

仿真结果表明，与“无IRS辅助通信”“只有IRS 1辅助通信”“只有IRS 2辅助通信”“基站MRT（maximum ratio transmission），双IRS均优化”“基站MRT，只优化IRS 1”和“基站MRT，只优化IRS 2”这6种基准方案相比，本文所提出的优化算法在信息传输总速率上有大幅度的提升，且能量收集用户的最小能量传输要求得到了满足，其窃听速率也被限定，因此所提联合优化IRS的反射相移和基站的发射功率的算法具有优越的性能。

1 系统模型

图1 双IRS辅助的下行SWIPT多用户通信系统

其中：

2 问题构建及优化算法

2.1 问题构建

2.2 固定、和，优化

其中：

同理可得：

（25）

其中：

（P2）：

（31）

其中，

其中：

2.3 固定、和，优化

其中：

2.4 固定和，优化和

（P6）：

其中：

2.5 算法总结

综上所述，本文所提算法的求解过程如下面的伪代码所示：

重复：

令1。

3 仿真结果

图2 各节点的位置分布

将所提算法与下列7种基准方案进行对比。

上界：在交替优化求解问题（P0）的过程中，求解松弛问题（P6）。

以下的所有仿真结果均是随机500次信道衰落后取其平均值得到的。

图3 不同方案下，系统总速率随基站发射功率变化的情况（N=64，=152 m， m，=150 m）

图4 不同方案下，系统总速率随IRS反射单元数目N变化的情况（=35 dBm，=152 m， m，=150 m）

图5 不同方案下，系统总速率随信息收集用户群的中心位置到基站的距离变化的情况（=35 dBm，N=64， m，=150 m）

图6 不同方案下，系统总速率随IRS 2到基站水平距离变化的情况（=35 dBm，N=64，=152 m， m）

所提算法的系统总速率随基站发射天线数目增加的变化情况如图7所示。图7中显示系统总速率随着发射天线数目的增加而不断增大，且当基站发射功率分别为4 W、8 W和12 W时，基站配备10根发射天线比配备5根发射天线时系统总速率提升分别为10.7%、9.3%和9.0%，这是因为发射天线数目越多，信道增益越大，由此导致的系统总速率增益就越大。另外基站的发射功率越大，信息收集用户出的信噪比就越大，信号质量越高，因此系统总速率就越大。还观察到提出的交替优化算法在基站不同发射功率下的系统总速率远远大于最坏情况下能量收集用户总的窃听速率8 bit/（s·Hz），说明所提算法能有效保障系统的物理层安全。上述结果表明适当增加基站的发射天线数目能获得更高的系统总速率收益，由于能量收集用户的窃听速率受限，因而也能获得更高的物理层安全性能。

图7 不同发射功率下，所提算法的系统总速率与基站发射天线数的关系（N=32，=152 m， m，=150 m）

4 结束语

本文考虑IRS之间存在反射链路的双IRS辅助下行SWIPT多用户安全通信系统，通过联合优化IRS 1、IRS 2的反射相移和基站的波束成形，在保证能量传输满足要求并限制潜在窃听者的窃听速率的情况下，最大化系统的信息传输总速率。由于构建的优化问题是非凸优化问题且优化变量高度耦合，本文首先采用引入松弛变量、SDR和SCA等方法将非凸优化问题转化为可解的凸优化问题，然后采用交替优化和高斯随机法求得原问题的近似解。仿真结果表明，与6种基准方案相比较，本文所提出的方案不仅能保证能量收集用户的最低能量传输要求，而且能提高信息传输的安全性。与单IRS系统相比，双IRS辅助的SWIPT系统能充分利用两个IRS间的反射信道，从而获得更高的信息传输速率增益。联合优化IRS的反射系数和基站的波束成形比只优化其中一项在速率性能上有大幅提升，充分显示联合优化的有效性。

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Secure communication optimization for double-IRS assisted SWIPT system

CHEN Jianfeng1, CUI Miao1,2, ZHANG Guangchi1,3, WU Qingqing4, ZENG Hui2

1. School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China 2. No.7 Research Institute of China Electronics Technology Group Cooperation, Guangzhou 510310, China 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Information Photonics Technology, Guangzhou 510006, China 4. State Key Laboratory of Internet of Things for Smart City, University of Macau, Macau 999078, China

Two intelligent reflecting surfaces (IRS) was applied to ensure the physical layer security of the information transmission in a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system, where a multi-antenna base station (BS) simultaneously transmits information and energy to multiple single-antenna information receivers (IR) and energy receivers (ER) and the ERs are regarded as potential information eavesdroppers. The system deploys two IRSs to ensure the security of information transmission while meeting the requirements of energy transmission. Due to the inter-IRS signal reflection, the variables of the considered optimization problem are highly coupled, thus the problem is difficult to solve. To tackle this difficulty, an algorithm based on the alternating optimization, semidefinite relaxation, and successive convex approximation methods was proposed to obtain a suboptimal solution to the problem. Simulation results show that the proposed algorithm can significantly increase the total rate of the IRs and guarantee the security of the information transmission and the requirement of energy transmission, as compared to some existing benchmark schemes.

double-intelligent reflecting surface, simultaneous wireless information and power transfer, physical layer security

TN929

10.11959/j.issn.1000−0801.2022015

2021−12−01；

2021−12−06

张广驰，cepool@163.com

国家重点研发计划项目（No.2020YFB1805300）；广东省科技计划项目（No.2021A0505030015，No.2020A050515010，No.2019B010119001）；澳门科学技术发展基金项目（No.SKL-IOTSC(UM)-2021-2023，No.0119/2020/A3，No.0108/2020/A）；广东省自然科学基金资助项目（No.2021A1515011900）；东南大学移动通信国家重点实验室公开项目（No.2021D15）；广东特支计划项目（No.2019TQ05X409）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1805300), The Science and Technology Plan Project of Guangdong Province (No.2021A0505030015, No.2020A050515010, No.2019B010119001), Science and Technology Development Fund of Macau SAR (No.SKL-IOTSC(UM)-2021-2023, No.0119/2020/A3, No.0108/2020/A), The Natural Science Foundation of Guangdong Province (No.2021A1515011900), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2021D15), Special Support Plan for High-Level Talents of Guangdong Province (No.2019TQ05X409)

陈健锋（1998−），男，广东工业大学信息工程学院硕士生，主要研究方向为智能反射面和物理层安全。