雙可重構(gòu)智能表面輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法

郭海燕，周 飛，馮蘊(yùn)天

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003 2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003 3.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129)

可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface， RIS）是近年來興起的一項(xiàng)變革性技術(shù)，受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注［1－6］。 RIS 是一種集成若干低成本無源反射單元的可配置智能平面，每個(gè)反射單元的反射強(qiáng)度和相位偏移可以通過微控制器實(shí)時(shí)調(diào)整，從而可以根據(jù)通信需求，對(duì)入射電磁波進(jìn)行自適應(yīng)地被動(dòng)反射，構(gòu)建智能無線傳輸環(huán)境［7－8］。 同時(shí)，RIS 具有低能耗、低成本、布設(shè)方便靈活等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景［9－17］。

在RIS 增強(qiáng)無線通信領(lǐng)域，RIS 輔助的安全通信是一個(gè)重要研究方向。 其中，RIS 輔助的物理層安全是將RIS 作為被動(dòng)中繼，利用其自適應(yīng)被動(dòng)反射特性對(duì)抗無線網(wǎng)絡(luò)中的非法竊聽攻擊，從而保障無線通信系統(tǒng)中合法用戶的安全通信。 例如，文獻(xiàn)［18］提出RIS 輔助的多天線物理層安全傳輸策略，通過優(yōu)化發(fā)送波束成形和RIS 的反射相移，最小化發(fā)送功率，并保證系統(tǒng)安全速率的限制約束。 文獻(xiàn)［19］提出利用RIS 的被動(dòng)反射特性來干擾無線網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)惡意竊聽者，通過優(yōu)化RIS 的反射相移，在完美信道信息狀態(tài)（Channel State Information，CSI）情況下最小化竊聽者的最大接收信干噪比或在非完美CSI 情況下最大化竊聽者的中斷信干噪比。 文獻(xiàn)［20］研究多竊聽用戶場(chǎng)景下基于友好干擾和RIS 的物理層安全，提出在完美CSI 和非完美CSI 場(chǎng)景下，分別聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送波束成形矩陣、友好干擾波束成形矩陣和RIS 反射相移，最大化系統(tǒng)的安全能效。 文獻(xiàn)［21］針對(duì)竊聽用戶配置多天線的場(chǎng)景，分析了統(tǒng)計(jì)CSI 已知時(shí)系統(tǒng)的遍歷安全速率，提出了聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)送協(xié)方差矩陣和RIS 反射相移矩陣，以最大化遍歷安全速率。 文獻(xiàn)［22］面向RIS 輔助的無線攜能通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提出一種安全波束成形設(shè)計(jì)算法，使采集功率最大化，并滿足系統(tǒng)的安全速率約束。

采用RIS 不僅能有效抑制非法竊聽，還能削弱惡意干擾，增強(qiáng)無線通信系統(tǒng)的抗干擾攻擊能力。例如，文獻(xiàn)［23］提出部署空中RIS 來對(duì)抗惡意干擾攻擊，通過聯(lián)合優(yōu)化RIS 的水平坐標(biāo)和RIS 的反射相移，最大化合法接收端的可達(dá)速率。 文獻(xiàn)［24］采用RIS 來對(duì)抗無線通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾攻擊和竊聽攻擊，通過聯(lián)合優(yōu)化基站的主動(dòng)波束成形和RIS 的被動(dòng)波束成形，最大化系統(tǒng)可達(dá)速率，并將信息泄露限制在閾值下。 文獻(xiàn)［25］面向鐵路無線通信系統(tǒng)，提出優(yōu)化RIS 被動(dòng)反射相移，來抑制列車終端接收到的外部干擾信號(hào)。 文獻(xiàn)［26］研究多用戶場(chǎng)景下RIS輔助的抗干擾通信，在干擾終端統(tǒng)計(jì)CSI 已知和CSI 未知的條件下，分別提出聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送波束成形和RIS 反射相移，以最小化系統(tǒng)發(fā)送功率，并保障合法用戶遭受干擾攻擊時(shí)的中斷概率仍滿足要求。

上述采用RIS 輔助的安全通信能夠有效對(duì)抗竊聽攻擊或干擾攻擊，其根本原因是RIS 能夠根據(jù)實(shí)際通信安全需求，自適應(yīng)地優(yōu)化其被動(dòng)反射相移，使得終端接收到的某些信號(hào)功率增強(qiáng)，某些信號(hào)功率削弱。 由此出發(fā)，本文從另一個(gè)角度來研究RIS 輔助的安全通信，具體研究如何利用RIS 來干擾非法通信系統(tǒng)，以達(dá)到破壞非法通信的目的。 目前采用RIS 干擾非法通信系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)較少。 文獻(xiàn)［27］提出了一種基于RIS 的被動(dòng)干擾方案，通過優(yōu)化RIS 的反射系數(shù)矩陣，保證來自反射鏈路的信號(hào)和來自直傳鏈路的信號(hào)在非法接收端盡量相互抵消，其性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的主動(dòng)干擾方案。 并且由于RIS 不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，難以被非法通信系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。

不同于文獻(xiàn)［27］提出的基于單個(gè)RIS 的被動(dòng)干擾方案，本文提出布設(shè)雙RIS，將主動(dòng)干擾與被動(dòng)干擾有機(jī)結(jié)合，以提升干擾性能。 具體地，在我方主動(dòng)干擾機(jī)側(cè)布設(shè)一個(gè)RIS 對(duì)主動(dòng)干擾信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，在非法發(fā)送端側(cè)布設(shè)一個(gè)RIS 對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行削減。 在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合優(yōu)化雙RIS 的反射系數(shù)矩陣，以最小化非法通信系統(tǒng)接收端的信干噪比。 將此聯(lián)合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)單RIS 反射系數(shù)矩陣的子優(yōu)化問題，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化算法求解。 仿真結(jié)果表明，與基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法和無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法相比，本文所提的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法顯著降低了非法通信系統(tǒng)的接收信干噪比。

1 雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾系統(tǒng)模型

如圖1 所示，本文考慮雙RIS 輔助的無線通信系統(tǒng)，包括我方主動(dòng)干擾機(jī)J，我方布設(shè)的RISIA和RISIB，以及由非法發(fā)送端Se、 非法接收端De構(gòu)成的非法通信對(duì)。 其中，IA布設(shè)在靠近J的一側(cè)，用于增強(qiáng)J傳輸至De的干擾信號(hào)；IB布設(shè)在靠近Se的一側(cè)，用于消減Se傳輸至De的信號(hào)。 本文考慮J和Se之間有大障礙物阻擋的場(chǎng)景，IA和IB的布設(shè)充分利用障礙物，保障IA和IB之間無相互反射，J與IB間無直傳鏈路，Se與IA間無直傳鏈路。J、Se和De均為單天線節(jié)點(diǎn)，IA有NA個(gè)反射單元，IB有NB個(gè)反射單元。

圖1 系統(tǒng)模型圖

2 雙RIS 的反射系數(shù)矩陣優(yōu)化

在本節(jié)中，首先以最小化De的接收信干噪比γDe為目標(biāo)，考慮RIS 反射相移約束和干擾機(jī)最大發(fā)送功率約束，構(gòu)建RISIA的反射系數(shù)矩陣QIA、RISIB的反射系數(shù)矩陣QIB和我方干擾機(jī)J的發(fā)送功率PJ的聯(lián)合優(yōu)化問題。 然后，鑒于QIA和QIB互不影響，將此聯(lián)合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解QIA、PJ的子優(yōu)化問題和求解QIB的子優(yōu)化問題。 并且，鑒于QIB優(yōu)化問題復(fù)雜度高，設(shè)計(jì)了有效的快速算法求取QIB的次優(yōu)解。

2.1 優(yōu)化問題構(gòu)建

2.2 RISIB 的反射系數(shù)矩陣優(yōu)化

2.3 RISIA 的反射系數(shù)矩陣優(yōu)化

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)本文所提的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法進(jìn)行仿真，并與基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法、無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法進(jìn)行性能比較。 在基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法中，非法發(fā)送端側(cè)布設(shè)單個(gè)RIS 以盡量抵消信息信號(hào)；在單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法中，主動(dòng)干擾機(jī)側(cè)布設(shè)單個(gè)RIS 以增強(qiáng)干擾信號(hào)；在無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法中，不布設(shè)RIS，主動(dòng)干擾機(jī)發(fā)送干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

圖2 為非法接收端的信干噪比與干擾機(jī)最大發(fā)送功率Pmax的關(guān)系曲線圖。 從圖2 可以看出，無論干擾機(jī)發(fā)送功率Pmax取何值，本文所提的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法性能明顯優(yōu)于基于單RIS的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法和無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法，這表明了本文所提的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法的優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)，從圖2 還可以看出，隨著干擾機(jī)最大發(fā)送功率的增加，本文所提方案和對(duì)比方案下非法接收端的信干噪比都隨之下降。其原因是非法接收端接收到的干擾信號(hào)功率隨著干擾機(jī)最大發(fā)送功率的增加而增大。

圖2 非法接收端的信干噪比與干擾機(jī)最大發(fā)送功率的關(guān)系曲線圖

圖3 為非法接收端的信干噪比與發(fā)送端發(fā)送功率PSe的關(guān)系曲線圖。 從圖3 可以看出，無論P(yáng)Se取值如何，與基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法和無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法相比，本文所提的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法下接收端的信干噪比顯著下降，這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法的優(yōu)勢(shì)。 并且，隨著非法發(fā)送端功率PSe的增加，本文所提方法和對(duì)比方法下非法接收端的信干噪比均上升。 這是因?yàn)殡S著PSe的增加，非法接收端的信息信號(hào)功率也隨之增加。

圖3 非法接收端的信干噪比與發(fā)送端發(fā)送功率的關(guān)系曲線圖

圖4 為非法接收端的信干噪比與干擾機(jī)側(cè)RISIA反射單元個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線圖。 從圖4 可以看出，無論IA的反射單元個(gè)數(shù)取何值，本文所提的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法性能均明顯優(yōu)于其它3 種對(duì)比方案。 并且，隨著RISIA的反射單元數(shù)的增加，非法接收端的信干噪比呈下降趨勢(shì)，說明了本文所提方法的性能還能隨著IA反射單元個(gè)數(shù)的增加進(jìn)一步提升。 值得提出的是，如圖4 所示，當(dāng)RIS 反射單元個(gè)數(shù)大于一定數(shù)量時(shí)，基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法下接收端的信干噪比出現(xiàn)了抖動(dòng)，這是由于信道的隨機(jī)特性造成的。 另外，由于在無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)被動(dòng)干擾方法中，干擾機(jī)側(cè)不布設(shè)RIS，故此方法下接收端的信干噪比不隨干擾機(jī)側(cè)RIS 單元個(gè)數(shù)的變化而變化，其輕微波動(dòng)是由于信道的隨機(jī)特性引起的。

圖4 非法接收端的信干噪比與發(fā)送端側(cè)RISIA反射單元個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖5 為非法接收端的信干噪比與發(fā)送端側(cè)RISIB反射單元個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線圖。 從圖5 可以看出，無論IB反射單元個(gè)數(shù)取何值，本文提出的雙RIS輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法得到的接收信干噪比均明顯低于基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法和無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法。 同時(shí)，從圖5 還可以看出，隨著RISIB反射單元個(gè)數(shù)的增加，非法接收端的信干噪比呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)RISIB反射單元個(gè)數(shù)大于150 時(shí)，采用本文提出的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法和采用基于單RIS的被動(dòng)干擾方法，非法接收端的接收信干噪比不再明顯下降。 其原因是當(dāng)RISIB反射單元個(gè)數(shù)大于一定數(shù)量后，經(jīng)RIS 被動(dòng)反射的信號(hào)對(duì)直傳信號(hào)的抵消能力已趨近平穩(wěn)。

圖5 非法接收端的信干噪比與發(fā)送端側(cè)RISIB反射單元個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)束語

文中提出了一種雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法，通過在干擾機(jī)側(cè)和非法發(fā)送端側(cè)各布設(shè)一個(gè)RIS 來干擾非法通信系統(tǒng)。 以最小化非法接收端的信干噪比為目標(biāo)，構(gòu)建了干擾機(jī)側(cè)RIS 反射系數(shù)矩陣和發(fā)送端側(cè)RIS 反射系數(shù)矩陣的聯(lián)合優(yōu)化問題，并將此問題分解為兩個(gè)子優(yōu)化問題，分別進(jìn)行求解。針對(duì)發(fā)送端側(cè)RIS 反射系數(shù)矩陣優(yōu)化復(fù)雜度高的問題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的快速求解算法。 仿真結(jié)果表明，文中提出的雙RIS 輔助的聯(lián)合主被動(dòng)干擾方法性能明顯優(yōu)于基于單RIS 的被動(dòng)干擾方法、單RIS 輔助的主動(dòng)干擾方法和無RIS 的傳統(tǒng)主動(dòng)干擾方法。