一种智能超表面辅助的非视距安全通信方法

高建邦,高国旺

(西安石油大学 电子工程学院,陕西 西安 710065)

1 引 言

随着移动通信技术的进步,无线通信在军事、民用等领域中得到广泛应用,物联网[1]、无人机通信[2]、车联网[3]等新型无线系统也得到了蓬勃发展。然而,由于无线信道的开放性,传输信息易被窃听者拦截或窃听[4-6]。尤其在万物互联和无线通信数据量日益增多的今天,确保信息的安全显得尤为重要,信息安全将成为无线通信发展的重点和难点。传统无线通信主要依靠高层加密技术保证信息的安全。随着移动设备的增加和超级计算机的出现,依靠高层加密技术的无线通信中不断出现信息泄露问题。信息安全面临越来越大的挑战。

与传统加密技术不同,物理层安全技术利用无线信道固有属性为无线通信提供更基础的安全保障[7]。阵列天线是一种新兴的多天线物理层安全技术,其利用期望信道与窃听信道的差异性,实现信息的安全传输[8-11]。然而阵列天线技术并非十全十美,目前仍然存在理论研究和实际应用上的问题亟待解决。随着无线通信可以提供更多的频率资源,更高的窄带波束方向性和分辨率,以及更快的数据传输速率时,也会带来信号传输过程中产生的自由路径衰减严重,易被遮挡的传输问题。对传输功率不足以及不存在直接传输链路时的安全通信问题,值得进一步考虑。

目前,多数文献研究视距无阻挡情况下的物理层安全传输问题,对发射机与用户存在阻挡的通信场景研究较少[12]。根据电磁学和天线理论,微波频段信号的散射、衍射能力差,以及在传播过程中产生的衰减和空间自由路径损耗大[13],造成长距离通信可靠性不足。因此,容易出现发射机与期望用户之间直传链路通信效果差,甚至因阻挡而不存在直传链路的通信场景,常规的物理层安全传输方法不能确保信息安全传输。针对此类问题,提出智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助的阵列天线物理层安全传输方法。与传统中继等主动转发设备相比,RIS 技术不需要额外的功率消耗,仅依靠低成本无源器件来反射接收信号,达到绿色通信的目标[14]。

2 RIS辅助的频控阵系统模型

如图1所示,考虑多输入单输出(Multiple-Input Single-Output,MISO)通信系统。在系统模型中,频控阵由N根天线组成,RIS由M个低成本的反射单元组成,反射单元由一个单天线期望用户和多个位置未知的被动窃听者组成。RIS基于控制器动态调整入射信号相移,以帮助信息可靠传输。假设RIS反射两次或两次以上的信号功率可以忽略不计。

图1 智能超表面辅助的频控阵系统模型

发射机采用随机对数频控阵列天线,即频率增量为

ΔfLR=PTΔf,

(1)

其中,P=[c1,c2,…,ci,…,cN],其中ci表示第i个元素为1的单位列向量,同时i∈{1,2,…,N},随机产生且不重复出现;Δf表示标准对数频控阵的频率增量。

窃听者会在发射机-RIS和RIS-期望用户两个传输路径上窃取信息,造成很大的安全隐患。可以采用人工噪声加扰技术加大对窃听者的干扰,提高系统安全性。首先,发射机对输入比特流进行相位调制,得到调制符号x∈Ω,Ω为调制符号集合且符合归一化条件,即E[|x|2]=1。随后,对调制符号进行加权处理,并引入人工噪声,得到最终的辐射信号矢量:

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

(2)

3 RIS辅助物理层安全传输系统与问题描述

由于RIS技术的引入,期望用户可以接收到发射机直传信号和RIS反射信号,其接收信号表示为

(3)

将式(2)代入式(3),得到

(4)

窃听者会在发射机-RIS传输路径和RIS-期望用户传输路径上窃取信息。因此,将窃听者接收到的信号表示为

(5)

将式(2)代入式(5),得到

(6)

接下来计算人工噪声矩阵。根据人工噪声对窃听者进行干扰的同时不影响期望用户接收信号的准则,即期望用户接收到的信号中含有人工噪声的表达式为零。因此,人工噪声矩阵由下式计算得到:

(7)

(8)

根据零空间映射准则,计算得到

(9)

其中,H2=[hAL,hARL]。

将式(9)代入式(4)中得到期望用户最终的接收信号:

(10)

分析式(10),期望用户接收的信号包括3部分:第1部分为发射机直传信号;第2部分为RIS反射信号;第3部分为常规信道加性高斯白噪声。可以看出,即使在发射机与期望用户之间因阻挡而不存在直传链路场景中,期望用户依然可以通过接收RIS的反射信号保证通信的可靠性。通过设计波束成形矢量和反射系数矩阵,提高系统的可靠性和安全性。

分析式(6),窃听者接收的信号包括5部分:第1部分为窃听者在发射机-RIS传输路径上接收到幅度和相位扰乱的调制符号;第2部分为窃听者在发射机-RIS传输路径上受到的人工噪声干扰;第3部分是窃听者在RIS-期望用户传输路径上接收到幅度和相位扰乱的调制符号;第4部分为窃听者在RIS-期望用户传输路径上受到的人工噪声干扰;第5部分是常规信道加性高斯白噪声。为了提高系统的安全性能,设计优化波束成形矢量和RIS反射系数矩阵以加大窃听者接收调制符号的幅度和相位扰乱程度,以及人工噪声对窃听者的干扰程度。

4 RIS辅助的物理层安全传输方法

在实际应用中,RIS反射表面将吸收一定入射波,同时会在非期望方向上产生寄生反射,从而降低反射效率。为了方便分析,假设RIS中的幅度反射系数α=1。

实际通信中无法准确获得窃听者的位置信息,此时主要依靠人工噪声对窃听者干扰,使其无法正常解调出机密信息。假设系统总传输功率固定,而最大化人工噪声干扰功率方法的设计准则是在期望用户满足最低信号接收功率的约束下,最大化人工噪声的发射功率,以加大对窃听者的干扰。假设向量φ=[φ1,φ2,…,φM]H=[ejθ1,ejθ2,…,ejθM]H。优化问题描述为

(11)

其中,M表示RIS反射元件的集合;γ表示期望用户可靠接收信号的最低SINR要求。

(12)

根据文献[15]可知,对任意给定的RIS反射元件相移矢量φ,优化问题式(12)中的最优波束成形矢量为

(13)

将式(13)代入式(12),得到最优调制符号发射功率:

(14)

通过分析式(14),最小调制符号发射功率等价于最大期望用户的组合信道功率增益,即式(12)转换为

(15)

(16)

将式(16)代入式(15)中,得到

(17)

式(17)仍然是非凸的,无法通过传统的凸优化得到最优解。通过引入辅助变量μ,式(17)进一步转换为

(18)

根据SDR求解方法,首先引入矩阵变量A∈C(M+1)×(M+1),表示为

(19)

矩阵变量A0,并且rank(A)=1。同时:

(20)

然后将式(19)和式(20)代入式(18),得到

(21)

式(21)为凸优化问题,可以通过常规凸优化工具得到最优解。

5 仿真结果与分析

图2 单期望户仿真场景设置

表1 数值仿真主要参数

5.1 可靠性分析

(a) 期望用户位置(20 m,50 m,0)

5.2 安全性分析

通过数值仿真分析评估所提传输方法的安全性能,并与以下2种基准方法进行对比:① 基于常规频控阵安全传输方法,不采用RIS;② 基于RIS的相控阵安全传输方法。

图4 给出了不同物理层安全传输方法时发射天线数与安全容量之间的关系。从图中可以明显看出,传统频控阵安全传输方法由于没有配备RIS设备,在发射机与用户存在阻挡的场景中几乎无法使期望用户可靠接收信息,导致信息不能及时传输到期望用户,在军事以及救援等应急领域中会造成极大的损失。然而,基于相控阵安全传输方法不能在距离维上保证信息安全传输。从图中可以看出,窃听者1与RIS角度相同,距离不同,在发射机-RIS链路上传输保密信息时会被窃听者窃取,系统安全容量几乎为零。文中所提方法采用了频控阵天线技术、人工噪声加扰技术和RIS技术,因此在发射机与用户存在阻挡,且传输过程存在多个被动窃听者的情况下,依然可以获得较高的安全容量。另外,随着发射天线数目的增加,系统安全容量随之增加,但天线数目的增加不会导致安全容量无限制的增加,最终都会达到一定的安全容量值并保持稳定状态。

图4 安全容量与发射机天线数关系曲线

图5给出了系统安全容量与RIS反射元件的关系。显然,所提方法优于其他基准方法。随着RIS反射元件的增多,基于所提方法的系统安全容量也随之上升,而其他两种方法的安全容量始终保持在较低的水平。随着RIS反射元件的增多,系统所需的最小调制符号发射功率也随之下降,因而可以给人工噪声分配更多的能量,加大了对窃听者的干扰。对于传统频控阵安全传输方法,由于没有配备RIS,在发射机-期望用户直传链路存在阻挡时,无法保证期望用户可靠接收信息。相控阵与RIS结合的安全传输方法不能在距离维上保证信息的安全。

图5 安全容量与RIS反射元件数关系曲线

6 结 论

文中叙述了一种RIS辅助的非视距物理层安全传输方法。首先,建立了基于RIS的频控阵系统模型。其次,在确保期望用户可靠接收信号的同时以最大化人工噪声干扰功率为目标,联合优化发射波束成形矢量和RIS反射系数矩阵,并利用辅助变量和半定松弛等方法获得最优解。最后通过大量的数值仿真,表明文中基于RIS的物理层安全传输方法可以实现非视距场景下的安全通信。