雙智能反射平面輔助無線攜能通信系統(tǒng)的安全通信優(yōu)化

陳健鋒，崔苗,，張廣馳,，武慶慶，曾慧

研究與開發(fā)

雙智能反射平面輔助無線攜能通信系統(tǒng)的安全通信優(yōu)化

陳健鋒1，崔苗1,2，張廣馳1,3，武慶慶4，曾慧2

（1. 廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；3. 廣東省信息光子技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510006；4. 澳門大學(xué)智慧城市物聯(lián)網(wǎng)國家重點實驗室，澳門 999078）

研究采用兩個智能反射平面保障無線攜能通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)奈锢韺影踩?。通過聯(lián)合優(yōu)化兩個智能反射平面的反射波束成形和基站的發(fā)射波束成形以最大化系統(tǒng)的總信息傳輸速率，同時滿足基站的發(fā)射功率約束、能量收集用戶的最小能量收集約束與最大竊聽速率約束，以及智能反射平面反射系數(shù)的模一約束。由于存在兩個智能反射平面之間的反射鏈路，所構(gòu)建優(yōu)化問題的優(yōu)化變量高度耦合，難以直接求解。提出一種基于交替優(yōu)化、半正定松弛和連續(xù)凸逼近的算法求問題的次優(yōu)解。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的基準方案相比，所提算法能在保證信息傳輸安全和滿足能量傳輸要求的情況下大幅提高系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率。

雙智能反射平面；無線攜能通信；物理層安全

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益普及和5G的全球性商用，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始針對6G展開相關(guān)研究。除了速率比5G網(wǎng)絡(luò)提高10～100倍外，6G網(wǎng)絡(luò)還具有智能和開放的特性[1-2]。智能反射平面（intelligent reflecting surface，IRS）技術(shù)作為6G關(guān)鍵技術(shù)，能提高無線通信頻譜和能源效率，成為近年來工業(yè)界研究的熱點[3-5]。IRS利用大量低成本無源元件通過自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整反射信號的相移，重新配置無線傳播信道，使通信性能得到進一步優(yōu)化。與傳統(tǒng)的有源波束成形技術(shù)相比，IRS消除了信號的放大和再生，從而享受更低的硬件成本、能耗和干擾[5]。文獻[6]研究了IRS輔助基于軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的通信系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)射功率和IRS的反射系數(shù)以最大化系統(tǒng)速率。文獻[7]則研究了在干擾信道中利用多個IRS輔助系統(tǒng)通信，通過聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)射功率和IRS的反射系數(shù)以最大化可實現(xiàn)的速率區(qū)域。

另一方面，無線攜能通信（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）技術(shù)從提出至今已經(jīng)得到廣泛的研究[8-11]，因其能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景中為大量低功耗設(shè)備供電，被認為是未來物聯(lián)泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[12]。例如，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)場景中，一些傳感器節(jié)點由于部署環(huán)境限制等原因，存在難以供電的問題，因此利用SWIPT技術(shù)在信息傳輸?shù)耐瑫r對節(jié)點進行能量傳輸，能解決傳感器節(jié)點的供電問題，擴大傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，提高使用靈活性。

將IRS與SWIPT相結(jié)合，能同時發(fā)揮兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢。一方面，IRS能建立高質(zhì)量虛擬視距的反射鏈路，通過優(yōu)化IRS的被動波束成形，能有效提高用戶信噪比，且信噪比隨IRS反射單元的數(shù)目呈二次方增加，因而IRS能提高信息傳輸性能[3]。另一方面，IRS的智能反射能有效補償無線射頻信號的路徑損耗，從而在IRS附近建立有效的能量收集區(qū)域，提高能量傳輸效率。文獻[13]考慮了一個IRS輔助下行SWIPT的多輸入單輸出（multiple-input single-output，MISO）系統(tǒng)，基站向不同用戶分別發(fā)送信息和功率，通過交替優(yōu)化基站的發(fā)射功率和IRS的反射相移以最大化能量收集用戶收到的能量。文獻[14]考慮了一個IRS輔助下行SWIPT的多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化基站的波束成形和IRS的反射系數(shù)在信道不完備的條件下最大化信息收集用戶的速率。文獻[15]則研究了一個IRS輔助下行SWIPT的MISO系統(tǒng)，基站將數(shù)據(jù)和能量一起發(fā)送給一組用戶，用戶采用功率分裂（power splitting，PS）的方式解碼數(shù)據(jù)并獲取能量，通過聯(lián)合優(yōu)化基站的波束成形、功率分裂因子和IRS處的反射相移以最大化能源效率。但是，已有的研究均未考慮雙IRS輔助SWIPT系統(tǒng)進行通信。傳統(tǒng)的單IRS輔助SWIPT系統(tǒng)由于路徑損耗的存在，存在服務(wù)范圍較小、難以同時滿足信息收集用戶與能量收集用戶的服務(wù)質(zhì)量（quality-of-service，QoS）等問題。通過部署兩個不同的IRS在能量收集用戶群和信息收集用戶群附近，引入了兩個IRS之間的反射鏈路，能為無線攜能通信提供新的路徑，增加新的優(yōu)化自由度，不僅能提高能量收集用戶和信息收集用戶的服務(wù)質(zhì)量，而且能有效增加系統(tǒng)的服務(wù)覆蓋范圍。

SWIPT系統(tǒng)的信息傳輸容易受到竊聽，信息通信安全已經(jīng)成為該系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。例如，為了滿足充能需求，能量收集用戶通常比信息收集用戶更加靠近基站，具有更高的信道增益，由于信息信號和能量信號是同時傳輸?shù)?，能量收集用戶往往比信息收集用戶接收到更強的信息信號，因此竊聽信息收集用戶的隱私信息成為可能。近年來，除了在應(yīng)用層上采用傳統(tǒng)的加密方法外，為現(xiàn)代無線通信所設(shè)計的物理層安全（physical layer security，PLS）的方法已經(jīng)被提出，如協(xié)作中繼[16]、人工噪聲[17]和協(xié)同干擾[18]等。同時，一些PLS相關(guān)問題的研究已經(jīng)應(yīng)用到IRS輔助的通信系統(tǒng)之中[19-23]。文獻[19]首先研究IRS輔助的多天線系統(tǒng)的物理層安全問題，通過優(yōu)化基站的波束成形和IRS的反射系數(shù)，相較于無IRS的情況能大大提高信息保密率。文獻[20]提出了一種魯棒傳輸波束成形的算法以及采用人工噪聲的方法降低多天線竊聽者的竊聽速率以實現(xiàn)IRS輔助系統(tǒng)中的安全通信。文獻[21]則首次應(yīng)用雙IRS輔助系統(tǒng)通信，在考慮了IRS之間的反射鏈路的情況下，通過聯(lián)合優(yōu)化基站的波束成形和IRS的反射相移來最大化系統(tǒng)安全速率。文獻[22]考慮了一個IRS輔助SWIPT的MISO系統(tǒng)，其中能量收集用戶為潛在竊聽者，通過聯(lián)合優(yōu)化基站處的波束成形向量和人工噪聲矩陣以及IRS處的反射相移最大化系統(tǒng)的能量效率。文獻[23]則考慮了一個IRS輔助SWIPT的MIMO系統(tǒng)，其中能量收集用戶是潛在竊聽者，通過聯(lián)合優(yōu)化基站的發(fā)射功率和IRS的反射相移最大化系統(tǒng)保密率。但是，文獻[13-15]均沒有考慮傳輸過程中的安全性問題，文獻[19]、文獻[21]和文獻[23]只考慮了單個用戶和單個竊聽者的情況，文獻[20]雖然考慮了多用戶和多竊聽者的存在，但是沒有考慮無線能量傳輸?shù)膱鼍?。因此，上述工作雖然研究了IRS輔助SWIPT系統(tǒng)的安全通信，但是雙IRS輔助SWIPT系統(tǒng)且考慮IRS之間反射鏈路的安全通信還沒有文獻報道，其中同時保證多個用戶的信息傳輸安全和能量接收質(zhì)量是研究的難點。

綜上所述，本文研究一個由雙IRS輔助的下行SWIPT多用戶安全通信系統(tǒng)，其中部署了兩個IRS去輔助系統(tǒng)的信息和能量傳輸。研究通過聯(lián)合優(yōu)化IRS的反射系數(shù)以及基站的發(fā)射波束成形，在滿足基站發(fā)射功率約束、能量收集用戶的最低能量傳輸要求與最大竊聽速率約束，以及IRS反射系數(shù)的模一約束的條件下，最大化信息傳輸總速率。與單IRS系統(tǒng)優(yōu)化相比，雙IRS優(yōu)化不僅要考慮兩個IRS分別到用戶之間的反射信道，還需要考慮如何更好地利用兩個IRS之間更好的信道來實現(xiàn)協(xié)作波束成形增益，并且雙IRS輔助的SWIPT系統(tǒng)的服務(wù)覆蓋范圍更廣，既能限制能量收集用戶的竊聽速率，保障信息傳輸?shù)奈锢韺影踩?，又確保能量傳輸達到要求。本文的創(chuàng)新點可以歸納為以下兩點。

為保障SWIPT系統(tǒng)信息傳輸?shù)慕^對安全性，考慮所有能量接收用戶均為潛在的竊聽者，利用兩個IRS創(chuàng)建的額外反射鏈路來輔助無線攜能通信，既能提高信息傳輸速率和能量傳輸功率，又能確保信息安全。相關(guān)研究還沒有文獻報道。

本文所考慮的優(yōu)化問題為非凸優(yōu)化問題且優(yōu)化變量高度耦合，使得難以求得問題的全局最優(yōu)解。首先引入松弛變量，將各優(yōu)化變量進行解耦，接著采用半正定規(guī)劃（semidefinite programming，SDP）、半正定松弛（semidefinite relaxation，SDR）和連續(xù)凸逼近（successive convex approximation，SCA）等方法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可解的凸優(yōu)化問題，再采用交替優(yōu)化（alternating optimization, AO）和高斯隨機法求得問題的高質(zhì)量可行解。在求解過程中的優(yōu)化變量解耦和子問題恒等變形上具有一定的創(chuàng)新性。

仿真結(jié)果表明，與“無IRS輔助通信”“只有IRS 1輔助通信”“只有IRS 2輔助通信”“基站MRT（maximum ratio transmission），雙IRS均優(yōu)化”“基站MRT，只優(yōu)化IRS 1”和“基站MRT，只優(yōu)化IRS 2”這6種基準方案相比，本文所提出的優(yōu)化算法在信息傳輸總速率上有大幅度的提升，且能量收集用戶的最小能量傳輸要求得到了滿足，其竊聽速率也被限定，因此所提聯(lián)合優(yōu)化IRS的反射相移和基站的發(fā)射功率的算法具有優(yōu)越的性能。

1 系統(tǒng)模型

圖1 雙IRS輔助的下行SWIPT多用戶通信系統(tǒng)

其中：

其中：

2 問題構(gòu)建及優(yōu)化算法

2.1 問題構(gòu)建

2.2 固定、和，優(yōu)化

其中：

同理可得：

（25）

其中：

（P2）：

（31）

其中，

其中：

2.3 固定、和，優(yōu)化

其中：

2.4 固定和，優(yōu)化和

（P6）：

其中：

2.5 算法總結(jié)

綜上所述，本文所提算法的求解過程如下面的偽代碼所示：

重復(fù)：

令1。

3 仿真結(jié)果

圖2 各節(jié)點的位置分布

將所提算法與下列7種基準方案進行對比。

上界：在交替優(yōu)化求解問題（P0）的過程中，求解松弛問題（P6）。

以下的所有仿真結(jié)果均是隨機500次信道衰落后取其平均值得到的。

圖3 不同方案下，系統(tǒng)總速率隨基站發(fā)射功率變化的情況（N=64，=152 m， m，=150 m）

圖4 不同方案下，系統(tǒng)總速率隨IRS反射單元數(shù)目N變化的情況（=35 dBm，=152 m， m，=150 m）

圖5 不同方案下，系統(tǒng)總速率隨信息收集用戶群的中心位置到基站的距離變化的情況（=35 dBm，N=64， m，=150 m）

圖6 不同方案下，系統(tǒng)總速率隨IRS 2到基站水平距離變化的情況（=35 dBm，N=64，=152 m， m）

所提算法的系統(tǒng)總速率隨基站發(fā)射天線數(shù)目增加的變化情況如圖7所示。圖7中顯示系統(tǒng)總速率隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加而不斷增大，且當基站發(fā)射功率分別為4 W、8 W和12 W時，基站配備10根發(fā)射天線比配備5根發(fā)射天線時系統(tǒng)總速率提升分別為10.7%、9.3%和9.0%，這是因為發(fā)射天線數(shù)目越多，信道增益越大，由此導(dǎo)致的系統(tǒng)總速率增益就越大。另外基站的發(fā)射功率越大，信息收集用戶出的信噪比就越大，信號質(zhì)量越高，因此系統(tǒng)總速率就越大。還觀察到提出的交替優(yōu)化算法在基站不同發(fā)射功率下的系統(tǒng)總速率遠遠大于最壞情況下能量收集用戶總的竊聽速率8 bit/（s·Hz），說明所提算法能有效保障系統(tǒng)的物理層安全。上述結(jié)果表明適當增加基站的發(fā)射天線數(shù)目能獲得更高的系統(tǒng)總速率收益，由于能量收集用戶的竊聽速率受限，因而也能獲得更高的物理層安全性能。

圖7 不同發(fā)射功率下，所提算法的系統(tǒng)總速率與基站發(fā)射天線數(shù)的關(guān)系（N=32，=152 m， m，=150 m）

4 結(jié)束語

本文考慮IRS之間存在反射鏈路的雙IRS輔助下行SWIPT多用戶安全通信系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化IRS 1、IRS 2的反射相移和基站的波束成形，在保證能量傳輸滿足要求并限制潛在竊聽者的竊聽速率的情況下，最大化系統(tǒng)的信息傳輸總速率。由于構(gòu)建的優(yōu)化問題是非凸優(yōu)化問題且優(yōu)化變量高度耦合，本文首先采用引入松弛變量、SDR和SCA等方法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可解的凸優(yōu)化問題，然后采用交替優(yōu)化和高斯隨機法求得原問題的近似解。仿真結(jié)果表明，與6種基準方案相比較，本文所提出的方案不僅能保證能量收集用戶的最低能量傳輸要求，而且能提高信息傳輸?shù)陌踩浴Ｅc單IRS系統(tǒng)相比，雙IRS輔助的SWIPT系統(tǒng)能充分利用兩個IRS間的反射信道，從而獲得更高的信息傳輸速率增益。聯(lián)合優(yōu)化IRS的反射系數(shù)和基站的波束成形比只優(yōu)化其中一項在速率性能上有大幅提升，充分顯示聯(lián)合優(yōu)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

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022015

2021?12?01；

2021?12?06

張廣馳，cepool@163.com

國家重點研發(fā)計劃項目（No.2020YFB1805300）；廣東省科技計劃項目（No.2021A0505030015，No.2020A050515010，No.2019B010119001）；澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項目（No.SKL-IOTSC(UM)-2021-2023，No.0119/2020/A3，No.0108/2020/A）；廣東省自然科學(xué)基金資助項目（No.2021A1515011900）；東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室公開項目（No.2021D15）；廣東特支計劃項目（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)

陳健鋒（1998?），男，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向為智能反射面和物理層安全。

崔苗（1978?），女，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要研究方向為新一代無線通信技術(shù)。

張廣馳（1982?），男，廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院教授，主要研究方向為新一代無線通信技術(shù)。

武慶慶（1991?），男，博士，澳門大學(xué)助理教授、科睿唯安全球高被引科學(xué)家，主要研究方向為智能反射面等新一代無線通信技術(shù)。

曾慧（1983?），男，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信系統(tǒng)設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用等。