基于用户协作干扰的IRS辅助安全传输方案_吴皓威.pdf

第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023基于用户协作干扰的IRS辅助安全传输方案吴皓威1，2 刘燕1 王柳彬1 欧静兰1，3(1重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044；2重庆大学通信与测控中心，重庆 400044；3空天地网络互连与信息融合重庆市重点实验室，重庆 400044)摘要 针对协作通信网络无线信道高度开放的信息安全问题，提出一种基于智能反射面(IRS)辅助通信与用户协作干扰的下行链路物理层安全传输方案，并给出了一种基于交替迭代的保密容量最大化算法该方案中智能反射面通过调整反射相位辅助合法用户进行通信，并且全双工用户在接收有用信号的同时发射人工噪声，从而增强系统信息安全传输为了求解系统保密容量的非凸优化问题，利用交替迭代算法将其分解为3个子问题，分别对基站波束成形矢量、系统功率分配系数及IRS相移矩阵进行优化在求解的过程中推导了波束成形矢量和功率分配系数的闭式解，并分别利用连续凸近似和黎曼流形优化两种算法得到了IRS的最佳相移矩阵分析与仿真结果表明：所提出的方案能够快速收敛，且基于黎曼流形的优化算法具有更低的复杂度与随机相位或固定功率系数的方案相比，该方案能够显著提高系统安全性能关键词 智能反射面；物理层安全；人工噪声；连续凸近似；黎曼流形优化中图分类号 TN92 文献标志码 A 文章编号 1671-4512(2023)03-0038-09IRS-assisted security transmission scheme based on user cooperative interferenceWU Haowei1,2 LIU Yan1 WANG Liubin1 OU Jinglan1,3(1School of Microelectronics and Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2Center of Communication and Tracking Telemetry Command，Chongqing University，Chongqing 400044，China；3Chongqing Key Laboratory of Space Information Network and Intelligent Information Fusion，Chongqing 400044，China)Abstract For the information security issue of highly open wireless channels in cooperative communication networks，a downlink physical-layer security transmission scheme based on IRS-assisted communication and user cooperative interference was proposed，and an algorithm for maximizing security capacity based on alternative iteration was givenIn this scheme，phase shifts of IRS were adjusted to assist confidential communication for legitimate user，and full-duplex user was assigned to send the artificial noise while receiving useful signals to enhance information security of the system The optimization problem of maximizing system secrecy capacity is non-convex and thus is decomposed into three subproblems in an alternative manner To be specific，the beamforming vectors at the base station，and the power allocation coefficient of the system and the phase shift matrix at the IRS were optimized alternativelyIn the process of optimization，the closed-form expression of the beamforming vectors and power allocation coefficient were derived，while successive convex approximation(SCA)and Riemannian manifold(RM)optimization algorithms were adopted to obtain the optimal phase shifts of the IRSAnalysis and simulation results show that the alternative iteration can converge quickly and the optimization algorithm based on RM has lower complexity than that based on SCAFurthermore，compared with benchmarks of random phase and fixed power coefficient，the proposed scheme can significantly DOI：10.13245/j.hust.238353收稿日期 2021-09-02作者简介 吴皓威(1981-)，男，副研究员，E-mail：基金项目 民用航天十三五预研项目(D010201)；重庆市科技人才专项资助项目(cstc2019yszx-jcyjX0006，cstc2020yszx-jscxX0004)第 3 期吴皓威，等：基于用户协作干扰的IRS辅助安全传输方案improve the system security performanceKey words intelligent reflecting surface；physical layer security；artificial noise；successive convex approximation；Riemannian manifold optimization随着人工智能、虚拟现实及万物互联等技术的发展，移动通信流量得到了空前的增长面对海量的通信数据和开放的无线信道，传统的加密手段或将无法保证无线网络的信息安全，并适应未来的通信发展物理层安全方法作为实现未来无线通信网络安全的有效手段，能够利用无线信道的噪声和多径带来的随机性从底层提高通信网络的安全性能1，因此得到了广泛的关注与此同时，智能反射表面(IRS)被认为是实现未来无线智能网络和可重构信号传播环境的关键技术IRS是由大量无源反射单元组成的超表面，通过调整IRS单元的电磁特性，可以实现对反射信号相位及幅度的控制2-3利用这种对反射信号的控制，IRS能够在不进行复杂的编码、解码及射频处理的情况下，增强目标信号并抑制干扰由于能够智能地配置无线信道，IRS在增强物理层安全性能方面有着巨大潜力文献4-7就以最大化保密容量为目标，分别使用了不同优化方法对BS波束成形矢量和IRS相移矩阵的联合设计，但未考虑引入人工噪声(AN)以提高物理层安全性能在传统的窃听信道中，尤其是在窃听者的数量大于发射天线数量的情况下，AN通常是一种可以有效提高无线系统保密率的技术文献8-10引入了AN以提高IRS辅助通信系统的安全性能但其中AN均由BS端发送，在这种情况下AN不仅会干扰窃听者，还会干扰用户与此同时，随着先进的自干扰消除技术的出现，协作干扰技术利用全双工合法用户在接收信号的同时向窃听者发送干扰以降低窃听信道的通信质量，成为提高系统安全性能有效手段然而，全双工用户辅助干扰策略的研究集中在传统的点对点网络11或非受信任中继网络12中，在IRS辅助通信系统中，却很少有学者提出采用全双工用户协作干扰策略来保证系统的安全针对上述问题，提出一种基于智能反射面辅助通信与用户协作干扰的下行链路物理层安全传输方案在该协作通信网络中，智能反射面通过调整自身相移辅助合法用户进行通信，具有自干扰抵消能力13的全双工用户在接收有用信号的同时发射人工噪声干扰窃听者以最大化保密容量为目标，提出了联合设计基站波束成形矢量、系统功率分配系数及IRS相移矩阵的优化问题考虑到该问题的非凸性，引入交替迭代算法将其分解为三个子问题首先推导得出波束成形矢量和功率分配系数的闭式解，再分别利用基于连续凸近似与半定松弛的方法和基于黎曼流形的BB(Barzilai-Borwein)搜索这两种算法求解IRS最佳相移矩仿真结果表明：所提出的方案能够快速收敛，且基于黎曼流形的BB搜索算法具有更快的计算速度与随机相位或固定功率系数的方案相比，通过联合设计的最优解能够获得更高的保密容量，有效提高系统安全性能1 系统模型和问题提出 1.1系统模型考虑由IRS辅助的协作通信网络，其中用户和窃听者均因为建筑物的遮挡或其他不利因素与基站之间不存在直射链路，因此引入 IRS 进行辅助通信假设BS有N根天线，IRS有L个反射单元，具有自干扰抵消能力的用户有两根天线工作于全双工模式，且用户自己发射的AN信号不会对接收天线产生任何影响此外所有节点都有稳定的能量来源，但系统总功率有限，基站与用户之间须要经过协商来决定基站信号与AN的功率分配窃听者仅配备单根天线，并潜伏在用户附近进行窃听考虑准静态平坦衰落信道模型，且信号在经过IRS两次或两次以上反射的信号功率相当小，因此忽略不计有HTR CL N为 BS到 IRS的信道系数矩阵，hRU CL 1和hRE CL 1分别为IRS到用户和IRS到窃听者的信道系数矢量，hUE C为用户到窃听者的信道系数则用户的接收信号可以表示为yU=hHRUHTRx+nU，(1)式中：x=ws为BS发送信号，w CN 1和s C分别为波束信息矩阵和相应的发射信号，且有E|s|2=1；nU为用户接收机的高斯噪声，满足nUCN(0，2U)假设系统总发射功率为Pmax，BS端发射功率为Pmax，其中为用户与基站之间的功率 分 配 系 数 此 外，令=diag(1ej1，2ej2，LejL)为 IRS 的 系 数 矩 阵，且l 0，2)和l 0，1分别为IRS第l个反射单元的相位和幅度，l=1，2，L假设IRS具有最大反射功率增益，即认为al=1同理，窃听者的接收信号为39华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷yE=hHREHTRx+hHREhRUz+hUEz+nE，(2)式中：z C为用户发射的AN信号，其功率为PZ，即E|z|2=PZ=(1-)Pmax；nE为窃听者接收到的高斯噪声，满足nECN(0，2E)根据式(1)和式(2)可知用户和窃听者的信息速率分别为RU=log2(1+U)；(3)RE=log2(1+E)，(4)式中：U=|hHRUHTRw|2/2U；E=|hHREHTRw|2/(PZ|hHREhRU|2+PZ|hUE|2+2E)因此，IRS辅助的通信系统的保密容量为Rsec=RU-RE