智能反射面辅助无人机的物理层安全传输方案

代秋香 肖海林 张中山 张跃军

摘 要：在無线通信系统中，信息发送端和接收端之间的通信链路易受到建筑物的遮挡和非法者的主动窃听。利用无人机（unmanned aerial vehicle，UAV） 灵活的移动性以及智能反射面（intelligent reflective surface，IRS） 在无线环境中智能可控特性，提出一种智能反射面辅助无人机的物理层安全传输方案，以最大化系统平均保密率。该方案首先采用块坐标下降法将最大化系统平均保密率问题分解为UAV-IRS飞行轨迹优化、IRS相移优化以及系统传输功率优化三个子问题；其次，通过引入松弛变量、相位对齐以及逐次凸逼近方法将每个子问题转换为凸优化问题；最后，再运用交替优化方法逐次求解三个凸优化问题。数值仿真结果表明，系统平均保密率与源节点发射功率、UAV-IRS飞行位置和高度、IRS反射元件数量等因素有关。并且与另外两个基准方案相比，所提的方案能有效地提高系统的平均保密率，并且具有较好的收敛性。

关键词：无人机；智能反射面；物理层安全；平均保密率

中图分类号：TP918   文献标志码：A

文章编号：1001-3695（2023）09-037-2798-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.12.0827

Safe transmission scheme of physical layer for intelligent reflecting surface assisted unmanned aerial vehicle

Dai Qiuxiang1，Xiao Hailin1，Zhang Zhongshan2，Zhang Yuejun3

（1.School of Computer Science & Information Engineering，Hubei University，Wuhan 430000，China；2.School of Information & Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Faculty of Information Science & Technology，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

Abstract：In wireless communication system，buildings or active eavesdroppers by illegal devices can block the communication link between the transmitter and receiver.Utilizing the flexible mobility of UAV and the intelligent controllable characteristic of IRS in wireless environment，this paper proposed a safe transmission scheme of physical layer for IRS assisted UAV to maximize the averaged secrecy rate of the legitimate link.The scheme firstly utilized block coordinate descent method to decompose the average secrecy rate maximization problem of the system into three sub-problems：UAV-IRS flight trajectory optimization，IRS phase shift optimization and transmission power optimization.And then，this scheme transformed each subproblem into a convex optimization subproblem by utilizing relaxation variables，phase alignment and successive convex approximation methods，respectively.Furthermore，this paper used the alternating optimization method to obtain the maximum average secrecy rate of the system.Numerical simulation results show that the transmission power of the source node，the flight position and altitude of UAV-IRS and the number of IRS reflective elements are the main factors for improving the averaged secrecy rate of the legitimate link.The proposed scheme can effectively improve the average secrecy rate of the system with good convergence by comparing with the other two benchmark schemes.

Key words：unmanned aerial vehicle（UAV）；intelligent reflective surface（IRS）；physical layer security（PLS）；average secrecy rate

0 引言

无线通信技术在满足高覆盖、低延迟通信需求的同时，也面临着信息传输过程中有效性和安全性问题。一方面信息传播环境的复杂性，例如城市建筑群、高密度森林等会给信息的传输带来遮挡，造成信道的衰落和信号失真；另一方面无线信道具有广播特性，使得无线通信系统面临着非法者的窃听、干扰等威胁。近些年来，物理层安全技术的提出为无线通信系统的安全性提供了新方案。与使用密钥对传输信号进行加密来保证信息安全不同，物理层安全技术通过天线选择技术、波束成形、协同中继和协作干扰等来实现通信与安全一体化［1，2］。然而，这些技术也会给通信系统增加额外的噪声干扰以及能量消耗［3，4］。

智能反射面（IRS）是一种具有可重构无线传播环境，能给信息传输和处理带来新范式的新兴技术［5］。具体来说，IRS是由大量可调控电磁单元排列组成，通过有源控制器动态地调控每个电磁单元的电磁特性，进而实现对空间电磁波的智能调控［6］。调控完成后使得传输信号在合法端加强，在非法窃听端反相消减，从而提升无线通信系统的安全性。文献［7］研究了存在单个窃听者的情况下，通过联合优化源传输协方差矩阵和IRS的相移矩阵，提高了IRS辅助的多输入单输出（multiple-input single-output，MISO） 无线通信系统保密率的性能。文獻［8］考虑了窃听信道比合法信道更强且两者在空间上高度相关的研究场景，通过联合优化传输波束形成和IRS反射波束形成，最大限度地提高通信系统保密率。在文献［8］的基础上，文献［9］进一步研究了存在多个合法用户和多个窃听者的场景，在满足功率约束和相移约束的情况下，实现最小保密率最大化。文献［10］研究了存在多个窃听者的情况下最小化发射功率的问题，通过将原始优化问题转换为二阶锥规划问题，实现了比半定规划更低的复杂度。

无人机具有高机动性和视距传输特性，与IRS结合为提升无线通信系统的性能带来了新的方案。文献［11］研究了无人机与地面用户之间的视距链路（line of sight，LoS）被复杂的城市环境所阻塞，提出了一种IRS辅助无人机通信系统。文献［12］研究了存在单个窃听者的情况下，在空间立面上部署IRS以协助从无人机到地面用户的无线传输，利用逐次凸逼近和半定规划方法将所研究问题转换为凸问题进行求解。在文献［12］的基础上，文献［13］把无人机担任空中基站的静态部署场景进一步延伸，考虑了无人机的三维机动性，在满足动态飞行轨迹的约束条件下，通过引入松弛变量和运用逐次凸逼近（successive convex approximation，SCA）方法，对轨迹优化子问题进行求解，然后利用分式规划方法，将IRS相移转换为一系列参数子问题，仿真结果表明系统的平均保密高于仅轨迹优化和仅IRS优化这两个基准方案。

在现有的大多数研究中，IRS被集中部署在建筑外墙或者室内墙壁上，不仅受到城市景观、场地租金等现实影响，还对性能造成一定的限制。主要原因是部署在建筑墙壁或者立面上的IRS只能服务一半的空间终端，即源节点和目的节点只能位于IRS的同一侧。此外，在关于IRS与无人机结合的部分工作中，忽视从源节点到目的节点的直接链路，会导致信息传输不完整。在实际场景中，即使直接链路可能因为树木、建筑物等遮挡而受阻，但仍然会存在一些散射和折射信号。基于此，本文研究了在源节点和目的节点之间存在少量散射和折射信号情况下，智能反射面辅助无人机的物理层安全传输方案。

1 系统模型与问题描述

如图1所示，在存在非法窃听者Eve的情况下，无人机搭载的智能反射面作为中继，将源节点S的数据传输到远方的目的节点D。为了便于系统模型问题构建，将整个通信系统位于三维笛卡尔坐标系中。源节点S的坐标为（wS，0），目的节点D的坐标为（wD，0），窃听者的坐标为（wE，0），其中wS=（xS，yS）、wD=（xD，yD）、wE=（xE，yE）分别表示S、D、E的水平坐标。UAV搭载IRS在T时间内以固定高度H飞行，为了便于分析，将UAV搭载IRS的飞行时间t分为N个时隙，每个时隙的长度为δt，则t=N×δt。在第n个时隙时，UAV-IRS的水平位置为q［n］=（x［n］，y［n］）T∈Euclid Math TwoRAp2，其中n∈1，…，N。

3 仿真结果与分析

在本章中，通过仿真结果来验证本文算法的性能。本文通信系统的参数设置如下：源节点的水平位置为（-450，0），目的节点水平位置为（40，30），窃听者的水平位置为（80，40），这三者均位于地面；无人机搭载智能反射面的起始飞行水平位置为（-450，50），终止水平位置为（500，50），最大飞行速度vmax=20 m/s；参考距离为1 m的信道增益β=-20 dB，目的节点和窃听者Eve的噪声功率为σ2D=σ2E=-80 dBm，d/λ=0.5；收敛阈值ε=10-3。

为了更好地分析本文方案的性能，将本文方案与两个基准方案进行比较，即：

基准方案一：在本文方案中，不含有轨迹优化和功率优化。

基准方案二：不含有IRS辅助无人机的的物理层安全传输方案［17］。

图2表示当无人机飞行时间t=100 s时，不同的情况下无人机的飞行轨迹图。基准方案一中不含有轨迹优化和功率优化，从图2中可以看出，无人机搭载智能反射面会以最大速度从起点位置径直飞向终点位置。在本文方案中，无人机搭载智能反射面快要接近目的节点的位置时，会靠近目的节点以增加目的节点接收到的信号来提高系统平均保密率。当飞过目的节点所在位置时，无人机搭载智能反射面会逐渐远离避免被窃听者窃听，随后飞向终点位置。基准方案二[17]与本文方案不同的是，当无人机搭载智能反射面接近窃听者位置时，会在最远位置持续飞行一段时间，而且相比于本文方案会产生较大的偏移来获得平均保密率的提高。

图3表示在不同的飞行高度下，平均保密率与IRS单元数量之间的关系。基准方案二中没有搭载IRS，在同一飞行高度下增加IRS的个数，系统的平均保密率并不会发生变化。当H=50 m或者80 m时，本文方案和基准方案一的系统平均保密率都随着IRS个数的增大而增大。这是因为IRS反射单元个数越多，IRS所带来的阵列增益越大，系统性能得以增强。在相同方案下，飞行高度H=50 m时比H=80 m时获得了更高的平均保密率。飞行高度的降低，带来级联信道增益的增大，系统平均保密率得以提高。此外，从图3中还可以观察到，在同一高度下，本文方案性能始终优于两个基准方案，三者之间的差距随着IRS个数的增加而增大。

图4表示不同高度下，平均保密率与发射功率之间的关系。在基准方案一中，系统的平均保密率随着发射功率的增加而增加。在此方案中不含有轨迹优化，当发射功率超过8 dBm时，飞行高度由80 m降低到50 m并未给通信系统带来性能的提升。在基准方案二中，无人机不搭载智能反射面，作为基站直接与目的节点和窃听者通信。无人机与两者的信道增益值相近，当发射功率由8 dBm增加到10 dBm时，系统的平均保密率提升很小。但是当飞行高度降低到50 m时，系统平均保密率提高了30%左右。说明在此种方案下，降低飞行高度对系统平均保密率的提升作用要大于改变发射功率。在本文方案中，系统平均保密率随着发射功率的增加而增加，并且显著优于两个基准方案。当飞行高度为50 m时，本文方案相比于基准方案一，系统平均保密率提升了19.9%。从图4中还可以观察到，当发射功率增加到10 dBm时，通信系统的平均保密率增长速度变缓，这表明不能无限增加发射功率来获得通信系统性能的提升。

图5表示平均保密率与迭代次数之间的关系。从图5中可以观察到，基准方案一平均保密率不随着迭代次数的变化而变化，这是因为基准方案一中不含有轨迹和功率优化方案，只采用了相位对齐来使系统平均保密率最大化。本文方案与基准方案二中，平均保密率隨着迭代次数的增加而增加，这两种方案分别在第14和第10次迭代后都能达到很好的收敛，表明了这两种方案的收敛性。从图5中还可以观察到当飞行高度分别为50 m和80 m时，到达收敛的变化趋势相近。本文方案迭代次数为16次，飞行高度为50 m时的系统平均保密率较飞行高度为80 m时的平均保密率提升了约11.3%。

4 结束语

本文研究了智能反射面辅助无人机的物理层安全问题。无人机搭载智能反射面作为空中中继，降低系统功耗的用时也为无线通信系统提供了更大的灵活性。通过优化UAV-IRS飞行轨迹、IRS相移和发射功率来最大化通信系统平均保密率。为了便于求解，采用块坐标下降法将系统平均保密最大化问题分解为三个子问题交替优化求解。仿真实验表明了在相同的高度下，随着IRS个数和发射功率的增加，本文方案较两个基准方案系统的平均保密率均有较大的提升，并且具有良好的收敛性。以上结果表明了优化发射功率、IRS相移和UAV搭载IRS对提高平均系统保密率的重要性。本文考虑了一个窃听者和源节点服务于单个目的节点的情况，但可以将研究场景进一步推广为窃听者随机分布下源节点服务于多个目的节点的场景。

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收稿日期：2022-12-19；修回日期：2023-02-02  基金項目：国家自然科学基金资助项目（61872406）；广西重点研发计划资助项目（桂科AB23026034）；广西自然科学基金资助项目（2018GXNSFBA281057）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划资助项目（T2021001）

作者简介：代秋香（1996-），女，湖北随州人，硕士研究生，主要研究方向为智能反射面辅助通信、无人机通信；肖海林（1976-），男（通信作者），湖北黄冈人，教授，博导，博士，主要研究方向为5G/B5G智能信息处理（xhl_xiaohailin@163.com）；张中山（1974-），男，教授，博导，博士，主要研究方向为5G/B5G通信技术；张跃军（1982-），男，副教授，博导，博士，主要研究方向为信息安全芯片与低功耗集成电路设计．