基于智能反射面輔助的無人機中繼系統(tǒng)安全通信方法

盧為黨 曹明鋒 高 原 曹 江* 花俏枝 李 博 趙 楠

①(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023)

②(中國人民解放軍軍事科學(xué)院戰(zhàn)爭研究院 北京 100091)

③(湖北文理學(xué)院計算機工程學(xué)院 襄陽 441053)

④(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)科學(xué)與工程學(xué)院 威海 264209)

⑤(大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 大連 116024)

1 引言

隨著科技的發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)越來越成熟，但是由于無線信道的廣播性和開放性，無線通信信號的安全傳輸越來越受到學(xué)術(shù)界的重視[1]。物理層安全利用無線信道的隨機性，如干擾、衰落和噪聲等實現(xiàn)無線通信信號的安全傳輸[2]。為了最大限度地提高安全傳輸速率，人工噪聲[3]、協(xié)同干擾[4]和多天線波束成形[5]等技術(shù)受到了廣泛的研究。然而，這些方法不可避免地為通信系統(tǒng)帶來了額外的消耗和干擾，并且當(dāng)合法通信鏈路和竊聽鏈路的信道在空間上高度相關(guān)時，使用上述技術(shù)對系統(tǒng)性能的提升也是有限的。

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)由大量的無源反射單元組成，能夠智能配置無線信號的傳播環(huán)境，每個反射單元都能以軟件控制的方式調(diào)整接收信號的相移和幅度，通過聯(lián)合控制所有反射元件的相移，改變反射信號的傳輸方向，從而提高通信系統(tǒng)的安全傳輸[6–8]。文獻[9]研究了IRS輔助多輸入單輸出安全通信問題，通過優(yōu)化基站的發(fā)射功率和IRS相移來最大化系統(tǒng)的保密速率。文獻[10]考慮了多接收端和多竊聽者情況下，IRS輔助的下行鏈路多輸入單輸出廣播系統(tǒng)，聯(lián)合優(yōu)化基站波束成形和IRS相移來最大化所有用戶中的最小保密速率。文獻[11]研究了一種IRS輔助的頻譜共享認知無線電通信系統(tǒng)，根據(jù)二次發(fā)射機的總功率約束、主接收機的干擾功率約束，提出了一種交替優(yōu)化算法提高用戶的保密速率。針對IRS輔助多輸入多輸出通信系統(tǒng)，文獻[12]考慮是否擁有竊聽者完美信道狀態(tài)信息，分別提出一種交替優(yōu)化算法和人工噪聲輔助傳輸方案來提高保密速率。

現(xiàn)有的大多數(shù)研究工作中，IRS主要固定在建筑物外壁上，由于IRS實際布置位置選擇的困難性和壁掛IRS服務(wù)范圍的局限性，對于無線通信系統(tǒng)的性能帶來一定的限制[13]。無人機(Unmanned Air Vehicle, UAV)具有高靈活性、易調(diào)度等特點[14–17]，可以為IRS的位置部署提供更多的自由度，因此結(jié)合IRS和UAV的優(yōu)勢可以進一步提高無線通信的性能。文獻[18]研究了IRS-UAV輔助的多輸入單輸入非正交多址接入(Nonorthogonal Multiple Access,NOMA)下行通信系統(tǒng)中用戶服務(wù)質(zhì)量問題，通過優(yōu)化UAV位置、波束成形向量和IRS相移，在滿足弱用戶服務(wù)質(zhì)量情況下最大化強用戶的服務(wù)質(zhì)量。文獻[19]針對 IRS輔助UAV中繼通信系統(tǒng)，得到了多個竊聽者情況下的保密中斷概率表達式并用仿真結(jié)果進行了驗證。文獻[20]研究了IRS-UAV輔助上行鏈路無線通信系統(tǒng)的安全能源效率最大化問題，通過聯(lián)合優(yōu)化UAV的軌跡、IRS的相移、用戶關(guān)聯(lián)系數(shù)和基站發(fā)射功率來最大化系統(tǒng)的安全速率。

然而，目前大部分IRS結(jié)合UAV的研究中沒有考慮系統(tǒng)下行鏈路的安全傳輸問題，為了提高IRS輔助UAV通信系統(tǒng)下行鏈路的安全傳輸性能，本文提出了一種基于IRS輔助UAV中繼系統(tǒng)安全傳輸方法，主要貢獻如下：

(1)建立了一個基于IRS輔助的UAV中繼系統(tǒng)模型，考慮UAV飛行區(qū)域、基站的發(fā)射功率和IRS反射相移的限制，通過聯(lián)合優(yōu)化UAV位置，基站的波束成形和IRS相移約束，最大化系統(tǒng)的最小保密速率。

(2)利用交替優(yōu)化思想，將優(yōu)化問題分解為UAV位置優(yōu)化子問題、波束成形和IRS相移優(yōu)化子問題，通過1階泰勒展開方法處理子問題中的非凸項，將非凸子問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。

(3)仿真結(jié)果證明本文所提出的方法能夠提高系統(tǒng)中的最小保密速率，并且具有良好的收斂性。

2 系統(tǒng)模型與優(yōu)化問題

圖1 IRS輔助的UAV中繼系統(tǒng)模型

式(9a)表示UAV布置在某個區(qū)域范圍內(nèi)，式(9b)表示基站的發(fā)射功率上限為P，式(9c)表示IRS每個反射單元的相移約束。

3 問題求解

由于目標(biāo)函數(shù)是非凸的，該優(yōu)化問題難以直接求解，將優(yōu)化問題式(9)分解為無人機位置優(yōu)化、基站波束成形和IRS相移優(yōu)化兩個子問題，使用1階泰勒展開將非凸子問題轉(zhuǎn)化為凸問題，然后使用交替優(yōu)化的方法進行求解。首先假設(shè)基站波束成形向量和IRS相移已知，優(yōu)化無人機的位置；然后根據(jù)所得的無人機位置，優(yōu)化基站波束成形向量和IRS相移。

3.1 UAV位置優(yōu)化

優(yōu)化問題式(22)是一個凸優(yōu)化問題，可以用凸優(yōu)化工具箱CVX進行求解。

3.2 波束成形向量以及IRS相移優(yōu)化

圖2給出了最小保密速率和基站發(fā)射功率關(guān)系，方案1和方案2分別表示UAV固定在用戶1和用戶2上方，按照本文方法對波束成形向量和IRS相移進行優(yōu)化，方案3表示無IRS輔助通信，基站和用戶之間通過信道質(zhì)量很差的直接鏈路進行通信，僅基站作安全波束成形時系統(tǒng)的最小保密速率。從圖2可以看到，所有情況下最小保密速率都隨著基站發(fā)射功率增大而增大，這時基站發(fā)射功率越大用戶處的接收功率越大，最小保密速率相應(yīng)的增大，這表明可以通過增大基站發(fā)射功率來提升系統(tǒng)性能。另外可以看到方案1和方案2性能比本文算法差，這是因為本文所提算法在考慮用戶和竊聽者分布情況下優(yōu)化了無人機的位置，進一步增大系統(tǒng)的最小保密速率。同時可以看到方案3性能遠遠低于其他3個方案，這表明在傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中使用IRS來輔助通信能夠顯著提高系統(tǒng)的安全通信性能。

圖2 最小保密速率與基站發(fā)射功率關(guān)系

圖3給出了最小保密速率和IRS反射單元數(shù)量關(guān)系。從圖中可以看出隨著IRS反射單元數(shù)量的增加，系統(tǒng)的最小保密速率增大。這是因為IRS反射單元越多，能夠帶來更大的陣列增益，使得到達接收端的信號功率越大，提高系統(tǒng)的最小保密速率。

圖3 最小保密速率與IRS反射單元數(shù)量關(guān)系

4 仿真結(jié)果與分析

表1 優(yōu)化過程

此外可以看到無人機高度越高，最小保密速率越小，由于無人機越高越會增大空對地信道的路徑長度，帶來更大的路徑損耗，使得用戶的接收功率下降。

圖4給出了最小保密速率和基站天線數(shù)量關(guān)系。從圖4可以看出，最小保密速率隨著基站天線數(shù)量的增大而增加，但是繼續(xù)增大基站天線數(shù)量最小保密速率的提升很小。這是因為一定范圍內(nèi)增大基站天線數(shù)量，波束成形的方向性會更好，使得集中在IRS處的信號功率增大，反射到用戶的信號功率增大。但是由于基站分配到所有天線上總的發(fā)射功率有限，當(dāng)波束成形方向性足夠好時，繼續(xù)增大天線數(shù)量并不能大幅度提高集中在IRS處的信號功率，因此對于系統(tǒng)性能的提升有限。

圖4 最小保密速率與基站天線數(shù)量關(guān)系

圖5給出了最小保密速率收斂情況。從圖中可以看出本文算法在迭代幾次后達到收斂，表明算法具有良好的收斂性。同時可以看出基站發(fā)射功率越大，IRS反射單元數(shù)量越多，則系統(tǒng)中的最小保密速率也越大。

圖5 最小保密速率與迭代次數(shù)關(guān)系

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于IRS輔助的UAV中繼系統(tǒng)的安全通信方法, 通過聯(lián)合優(yōu)化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移，最大化系統(tǒng)的最小保密速率。通過將原問題分解為不同的子問題，利用1階泰勒展開等方法，將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，最后使用交替優(yōu)化算法求解。通過仿真結(jié)果驗證說明了本文所提方法的有效性和良好的收斂性。