智能反射表面輔助無線能量傳輸?shù)谋Ｃ苈首畲蠡惴?/h1>
2022-07-27 09:16:12張祖凡
電子與信息學(xué)報(bào) 2022年7期 關(guān)鍵詞：智能
張祖凡 張 迪
(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)
1 引言
第6代(the Sixth Generation, 6G)無線通信網(wǎng)絡(luò)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，他們希望實(shí)現(xiàn)超高的頻譜/能源效率和高密度的用戶連接[1]。由于這些需求，無線設(shè)備對(duì)于能量的消耗日益增加，無線通信網(wǎng)絡(luò)中能量受限的設(shè)備成為制約網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的瓶頸[2]。利用射頻能量為設(shè)備充電的無線能量傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術(shù)可以有效解決設(shè)備能量供應(yīng)不足的問題[3]。無線供電通信網(wǎng)絡(luò)[4]是WPT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)新的框架，混合接入點(diǎn)通過下行鏈路向能量受限設(shè)備傳輸能量，而無線設(shè)備則利用收集的能量在上行鏈路中傳輸信息。無線供電通信網(wǎng)絡(luò)(Wireless Powered Communication Network, WPCN)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高能效、持久的通信提供了新的途徑。
由于通信環(huán)境日益復(fù)雜，用戶信息的安全性和隱私性都需要得到保護(hù)，采用傳統(tǒng)加密技術(shù)會(huì)為網(wǎng)絡(luò)造成巨大的密鑰管理負(fù)擔(dān)，消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源[5]。而物理層安全主要是利用合法用戶信道和竊聽者信道的差異，從物理特性上實(shí)現(xiàn)通信安全[6]。優(yōu)點(diǎn)是算法復(fù)雜度更低，保密性更強(qiáng)，不會(huì)受到竊聽者計(jì)算能力提高帶來的威脅，也不會(huì)因?yàn)楸Ｗo(hù)安全密鑰而造成額外的開銷?？紤]到WPCN中能源的重要性，將物理層安全應(yīng)用在WPCN中能有效解決網(wǎng)絡(luò)中的安全通信問題。
最近，智能反射表面因其具有控制無線電環(huán)境和提高系統(tǒng)性能的能力而受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[7]比較了智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)輔助通信系統(tǒng)與放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼輔助通信系統(tǒng)，證明了使用少量反射元件的IRS輔助通信系統(tǒng)可以達(dá)到與放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼輔助通信系統(tǒng)相同的性能。文獻(xiàn)[8]不同于以往假設(shè)反射振幅恒定的設(shè)定，考慮了振幅和相位之間的相互關(guān)系，并推導(dǎo)了中斷概率和遍歷容量的封閉表達(dá)式。除此之外，研究者們發(fā)現(xiàn)智能反射表面在加強(qiáng)安全通信方面也具有很大優(yōu)勢[9]。通過適當(dāng)調(diào)整IRS反射單元的相移，其反射信號(hào)可以與其他路徑的信號(hào)結(jié)合，從而提高接收端鏈路的可達(dá)率，降低竊聽端鏈路的可達(dá)率[10]。文獻(xiàn)[11]考慮了采用IRS與不采用IRS的無線通信系統(tǒng)，并應(yīng)用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)了接收信噪比的精確概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)，證明了加入IRS對(duì)物理層安全的幫助。常用的物理層安全技術(shù)主要有人工噪聲技術(shù)和中繼協(xié)作等，例如：文獻(xiàn)[12]加入人工噪聲(Artificial Noise, AN)來惡化竊聽者信道，文獻(xiàn)[13]研究了合作干擾(Cooperative Jammer, CJ)技術(shù)來干擾竊聽者的算法。
雖然利用AN和CJ的輔助方法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的保密率，但它消耗了用于合法用戶外的發(fā)射功率。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)都是假設(shè)存在竊聽者，并未考慮竊聽者是否真的存在，反而會(huì)消耗更多的資源[14,15]。對(duì)于能量受限設(shè)備，需要考慮設(shè)計(jì)安全算法帶來的消耗，其中的安全問題尤為嚴(yán)峻。目前，尚未有關(guān)于IRS輔助WPCN中的安全算法研究。為了提高WPCN的安全性，本文利用IRS實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)波束抵消，在第1階段進(jìn)行能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)檢測竊聽。如果存在安全威脅，在第2階段利用IRS屏蔽竊聽者處的信號(hào)。文中智能反射表面不僅能達(dá)到增強(qiáng)信息傳輸速率和能量傳輸效率的作用，還能屏蔽竊聽者處的信號(hào)，增強(qiáng)安全性。
2 系統(tǒng)模型
圖1 IRS輔助WPCN的安全傳輸模型
此外，考慮到另一種情況。竊聽者通常試圖對(duì)基站隱藏自己的存在，很難獲得Eve的完美CSI。在實(shí)踐中，對(duì)IRS和Eve之間CSI的了解并不準(zhǔn)確，這也可能是由信道估計(jì)和量化誤差造成的。本文考慮了最壞情況下的信道不確定性模型[16]，信道向量h2的有界CSI誤差模型為
3 保密率優(yōu)化
3.1 最大化合法用戶的可達(dá)速率
3.2 完美CSI條件下竊聽者處波束抵消優(yōu)化
3.3 非完美CSI條件下竊聽者處波束抵消優(yōu)化
優(yōu)化問題式(25)最終轉(zhuǎn)換為
4 復(fù)雜度分析
5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
(2) ETI-IRS：竊聽者信道不完美情況下的等時(shí)間分配算法。
(3) AN-IRS：未利用IRS做竊聽者處的波束抵消，但加入人工噪聲增加安全性。聯(lián)合優(yōu)化信息波束，人工噪聲協(xié)方差矩陣和智能反射表面相移。
圖2給出了保密率與發(fā)射功率之間的關(guān)系。在智能反射表面元件數(shù)設(shè)置為40時(shí)，比較不同算法下保密率隨發(fā)射功率的變化曲線?？梢钥闯?，隨著發(fā)射功率的增加，不同算法的保密率隨之增大。因?yàn)樵黾觽鬏敼β士梢詾橛脩籼峁┠芏嗟哪芰?，可以使用戶在短時(shí)間內(nèi)收集足夠的能量供第2階段的信息傳輸，從而為信息傳輸提供有利條件。其中，所提出的算法可以獲得更高的保密率，在竊聽者信道完美和不完美情況下，利用IRS都能達(dá)到接近完美的波束抵消。等時(shí)間分配算法由于沒有優(yōu)化兩個(gè)階段的時(shí)間分配性能會(huì)差一些，這也體現(xiàn)了所提出的算法中進(jìn)行最優(yōu)時(shí)間分配的重要性。加入人工噪聲的算法未采用最優(yōu)時(shí)間分配，它的保密率會(huì)高于等時(shí)間分配的波束抵消算法，原因在于采用人工噪聲的算法的所有元件數(shù)都用來傳輸信息，而波束抵消算法只有一半的元件數(shù)用來傳輸保密信息，另一半會(huì)用來屏蔽竊聽端信號(hào)。
圖2 發(fā)射功率對(duì)保密率的影響
圖3比較了發(fā)射功率變化時(shí)幾種算法的安全能效。雖然增加發(fā)射功率可以提高系統(tǒng)保密率，但是卻消耗了更多的功率，所以這幾種算法的安全能效都隨著發(fā)射功率增大而降低。顯然，利用智能反射表面實(shí)現(xiàn)波束抵消的算法達(dá)到的安全能效高于采用人工噪聲的算法，原因在于采用人工噪聲的算法消耗了更多的功率來發(fā)送噪聲，而利用智能反射表面來防止竊聽的算法收集的全部能量只是用來傳輸保密信息和屏蔽竊聽者信號(hào)，其中用于波束抵消的功率很少，所以能達(dá)到最高的能量效率。采用時(shí)間分配的波束抵消算法安全能效最高，是因?yàn)椴捎脮r(shí)間分配優(yōu)化，可以根據(jù)發(fā)送功率的不同為能量收集和信息傳輸劃分合理的時(shí)間。
圖3 發(fā)射功率對(duì)安全能效的影響
圖4評(píng)估反射元件個(gè)數(shù)M對(duì)保密率的影響。利用智能反射表面進(jìn)行波束抵消的算法只采用總元件數(shù)的1/2來發(fā)送保密信息，其余1/2用來進(jìn)行竊聽者處波束抵消。從中可以看到，隨著反射元件個(gè)數(shù)的增加，這幾種算法的系統(tǒng)保密率都隨之增加。這意味著IRS有效地提高了系統(tǒng)保密率，原因是通過增加反射元件的數(shù)量可以獲得分集增益。同樣可以看到，所提算法的系統(tǒng)保密率最高所，雖然只用了1/2的元件數(shù)進(jìn)行保密信息傳輸，但是進(jìn)行了最優(yōu)時(shí)間分配和竊聽者信號(hào)屏蔽，幾乎沒有信息泄露，所以性能最好。等時(shí)間分配的波束抵消算法隨著智能反射表面的元件數(shù)增加保密率會(huì)超過采用人工噪聲的算法，原因是使用更多的反射元件可以增強(qiáng)合法用戶所需的信號(hào)和加強(qiáng)竊聽者處信號(hào)抵消。
圖4 反射元件數(shù)對(duì)保密率的影響
圖5比較了反射元件數(shù)變化時(shí)幾種算法的安全能效。安全能效隨著反射元件增加而增大，這是因?yàn)橥ㄟ^增加反射元件的數(shù)量可以獲得分集增益，可以增強(qiáng)合法端的信息接收。由于智能反射表面是由大量低成本的無源反射元件組成，能耗極低，就算增加反射元件數(shù)也不會(huì)增加太多的能量消耗，反而會(huì)增強(qiáng)能量和信息傳輸。顯然，所提出的算法能達(dá)到更高的安全能效。因?yàn)樵?shù)增多不僅增強(qiáng)了合法端的信息接收，還有助于竊聽端信息的屏蔽。
圖5 反射元件數(shù)對(duì)安全能效的影響
6 結(jié)論
針對(duì)智能反射表面輔助無線能量傳輸?shù)陌踩珕栴}進(jìn)行研究，利用智能反射表面屏蔽竊聽者處的信號(hào)接收。在完美和不完美CSI條件下，通過聯(lián)合優(yōu)化時(shí)間分配，功率分配，無源反射相位，實(shí)現(xiàn)了保密率的最大化。仿真結(jié)果表明，所提算法能更好地提升系統(tǒng)的保密性能和安全能效。
猜你喜歡
智能與自主開放教育研究(2021年3期)2021-05-25 02:41:06 讓紙變得智能小學(xué)科學(xué)(學(xué)生版)(2020年12期)2021-01-08 09:28:04 一種智能微耕機(jī)的研發(fā)裝備制造技術(shù)(2020年4期)2020-12-25 05:26:24 智能制造 反思與期望表面工程與再制造(2019年6期)2019-08-24 06:40:04 智能前沿文苑(2018年23期)2018-12-14 01:06:06 智能前沿文苑(2018年19期)2018-11-09 01:30:14 智能前沿文苑(2018年17期)2018-11-09 01:29:26 智能前沿文苑(2018年21期)2018-11-09 01:22:32 智能制造·AI未來商周刊(2018年18期)2018-09-21 09:14:46 爭渡智能石化能源(2018年4期)2018-05-19 01:53:44
張祖凡 張 迪
(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)
1 引言
第6代(the Sixth Generation, 6G)無線通信網(wǎng)絡(luò)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，他們希望實(shí)現(xiàn)超高的頻譜/能源效率和高密度的用戶連接[1]。由于這些需求，無線設(shè)備對(duì)于能量的消耗日益增加，無線通信網(wǎng)絡(luò)中能量受限的設(shè)備成為制約網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的瓶頸[2]。利用射頻能量為設(shè)備充電的無線能量傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術(shù)可以有效解決設(shè)備能量供應(yīng)不足的問題[3]。無線供電通信網(wǎng)絡(luò)[4]是WPT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)新的框架，混合接入點(diǎn)通過下行鏈路向能量受限設(shè)備傳輸能量，而無線設(shè)備則利用收集的能量在上行鏈路中傳輸信息。無線供電通信網(wǎng)絡(luò)(Wireless Powered Communication Network, WPCN)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高能效、持久的通信提供了新的途徑。
由于通信環(huán)境日益復(fù)雜，用戶信息的安全性和隱私性都需要得到保護(hù)，采用傳統(tǒng)加密技術(shù)會(huì)為網(wǎng)絡(luò)造成巨大的密鑰管理負(fù)擔(dān)，消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源[5]。而物理層安全主要是利用合法用戶信道和竊聽者信道的差異，從物理特性上實(shí)現(xiàn)通信安全[6]。優(yōu)點(diǎn)是算法復(fù)雜度更低，保密性更強(qiáng)，不會(huì)受到竊聽者計(jì)算能力提高帶來的威脅，也不會(huì)因?yàn)楸Ｗo(hù)安全密鑰而造成額外的開銷?？紤]到WPCN中能源的重要性，將物理層安全應(yīng)用在WPCN中能有效解決網(wǎng)絡(luò)中的安全通信問題。
最近，智能反射表面因其具有控制無線電環(huán)境和提高系統(tǒng)性能的能力而受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[7]比較了智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)輔助通信系統(tǒng)與放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼輔助通信系統(tǒng)，證明了使用少量反射元件的IRS輔助通信系統(tǒng)可以達(dá)到與放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼輔助通信系統(tǒng)相同的性能。文獻(xiàn)[8]不同于以往假設(shè)反射振幅恒定的設(shè)定，考慮了振幅和相位之間的相互關(guān)系，并推導(dǎo)了中斷概率和遍歷容量的封閉表達(dá)式。除此之外，研究者們發(fā)現(xiàn)智能反射表面在加強(qiáng)安全通信方面也具有很大優(yōu)勢[9]。通過適當(dāng)調(diào)整IRS反射單元的相移，其反射信號(hào)可以與其他路徑的信號(hào)結(jié)合，從而提高接收端鏈路的可達(dá)率，降低竊聽端鏈路的可達(dá)率[10]。文獻(xiàn)[11]考慮了采用IRS與不采用IRS的無線通信系統(tǒng)，并應(yīng)用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)了接收信噪比的精確概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)，證明了加入IRS對(duì)物理層安全的幫助。常用的物理層安全技術(shù)主要有人工噪聲技術(shù)和中繼協(xié)作等，例如：文獻(xiàn)[12]加入人工噪聲(Artificial Noise, AN)來惡化竊聽者信道，文獻(xiàn)[13]研究了合作干擾(Cooperative Jammer, CJ)技術(shù)來干擾竊聽者的算法。
雖然利用AN和CJ的輔助方法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的保密率，但它消耗了用于合法用戶外的發(fā)射功率。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)都是假設(shè)存在竊聽者，并未考慮竊聽者是否真的存在，反而會(huì)消耗更多的資源[14,15]。對(duì)于能量受限設(shè)備，需要考慮設(shè)計(jì)安全算法帶來的消耗，其中的安全問題尤為嚴(yán)峻。目前，尚未有關(guān)于IRS輔助WPCN中的安全算法研究。為了提高WPCN的安全性，本文利用IRS實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)波束抵消，在第1階段進(jìn)行能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)檢測竊聽。如果存在安全威脅，在第2階段利用IRS屏蔽竊聽者處的信號(hào)。文中智能反射表面不僅能達(dá)到增強(qiáng)信息傳輸速率和能量傳輸效率的作用，還能屏蔽竊聽者處的信號(hào)，增強(qiáng)安全性。
2 系統(tǒng)模型
圖1 IRS輔助WPCN的安全傳輸模型
此外，考慮到另一種情況。竊聽者通常試圖對(duì)基站隱藏自己的存在，很難獲得Eve的完美CSI。在實(shí)踐中，對(duì)IRS和Eve之間CSI的了解并不準(zhǔn)確，這也可能是由信道估計(jì)和量化誤差造成的。本文考慮了最壞情況下的信道不確定性模型[16]，信道向量h2的有界CSI誤差模型為
3 保密率優(yōu)化
3.1 最大化合法用戶的可達(dá)速率
3.2 完美CSI條件下竊聽者處波束抵消優(yōu)化
3.3 非完美CSI條件下竊聽者處波束抵消優(yōu)化
優(yōu)化問題式(25)最終轉(zhuǎn)換為
4 復(fù)雜度分析
5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
(2) ETI-IRS：竊聽者信道不完美情況下的等時(shí)間分配算法。
(3) AN-IRS：未利用IRS做竊聽者處的波束抵消，但加入人工噪聲增加安全性。聯(lián)合優(yōu)化信息波束，人工噪聲協(xié)方差矩陣和智能反射表面相移。
圖2給出了保密率與發(fā)射功率之間的關(guān)系。在智能反射表面元件數(shù)設(shè)置為40時(shí)，比較不同算法下保密率隨發(fā)射功率的變化曲線?？梢钥闯?，隨著發(fā)射功率的增加，不同算法的保密率隨之增大。因?yàn)樵黾觽鬏敼β士梢詾橛脩籼峁┠芏嗟哪芰?，可以使用戶在短時(shí)間內(nèi)收集足夠的能量供第2階段的信息傳輸，從而為信息傳輸提供有利條件。其中，所提出的算法可以獲得更高的保密率，在竊聽者信道完美和不完美情況下，利用IRS都能達(dá)到接近完美的波束抵消。等時(shí)間分配算法由于沒有優(yōu)化兩個(gè)階段的時(shí)間分配性能會(huì)差一些，這也體現(xiàn)了所提出的算法中進(jìn)行最優(yōu)時(shí)間分配的重要性。加入人工噪聲的算法未采用最優(yōu)時(shí)間分配，它的保密率會(huì)高于等時(shí)間分配的波束抵消算法，原因在于采用人工噪聲的算法的所有元件數(shù)都用來傳輸信息，而波束抵消算法只有一半的元件數(shù)用來傳輸保密信息，另一半會(huì)用來屏蔽竊聽端信號(hào)。
圖2 發(fā)射功率對(duì)保密率的影響
圖3比較了發(fā)射功率變化時(shí)幾種算法的安全能效。雖然增加發(fā)射功率可以提高系統(tǒng)保密率，但是卻消耗了更多的功率，所以這幾種算法的安全能效都隨著發(fā)射功率增大而降低。顯然，利用智能反射表面實(shí)現(xiàn)波束抵消的算法達(dá)到的安全能效高于采用人工噪聲的算法，原因在于采用人工噪聲的算法消耗了更多的功率來發(fā)送噪聲，而利用智能反射表面來防止竊聽的算法收集的全部能量只是用來傳輸保密信息和屏蔽竊聽者信號(hào)，其中用于波束抵消的功率很少，所以能達(dá)到最高的能量效率。采用時(shí)間分配的波束抵消算法安全能效最高，是因?yàn)椴捎脮r(shí)間分配優(yōu)化，可以根據(jù)發(fā)送功率的不同為能量收集和信息傳輸劃分合理的時(shí)間。
圖3 發(fā)射功率對(duì)安全能效的影響
圖4評(píng)估反射元件個(gè)數(shù)M對(duì)保密率的影響。利用智能反射表面進(jìn)行波束抵消的算法只采用總元件數(shù)的1/2來發(fā)送保密信息，其余1/2用來進(jìn)行竊聽者處波束抵消。從中可以看到，隨著反射元件個(gè)數(shù)的增加，這幾種算法的系統(tǒng)保密率都隨之增加。這意味著IRS有效地提高了系統(tǒng)保密率，原因是通過增加反射元件的數(shù)量可以獲得分集增益。同樣可以看到，所提算法的系統(tǒng)保密率最高所，雖然只用了1/2的元件數(shù)進(jìn)行保密信息傳輸，但是進(jìn)行了最優(yōu)時(shí)間分配和竊聽者信號(hào)屏蔽，幾乎沒有信息泄露，所以性能最好。等時(shí)間分配的波束抵消算法隨著智能反射表面的元件數(shù)增加保密率會(huì)超過采用人工噪聲的算法，原因是使用更多的反射元件可以增強(qiáng)合法用戶所需的信號(hào)和加強(qiáng)竊聽者處信號(hào)抵消。
圖4 反射元件數(shù)對(duì)保密率的影響
圖5比較了反射元件數(shù)變化時(shí)幾種算法的安全能效。安全能效隨著反射元件增加而增大，這是因?yàn)橥ㄟ^增加反射元件的數(shù)量可以獲得分集增益，可以增強(qiáng)合法端的信息接收。由于智能反射表面是由大量低成本的無源反射元件組成，能耗極低，就算增加反射元件數(shù)也不會(huì)增加太多的能量消耗，反而會(huì)增強(qiáng)能量和信息傳輸。顯然，所提出的算法能達(dá)到更高的安全能效。因?yàn)樵?shù)增多不僅增強(qiáng)了合法端的信息接收，還有助于竊聽端信息的屏蔽。
圖5 反射元件數(shù)對(duì)安全能效的影響
6 結(jié)論
針對(duì)智能反射表面輔助無線能量傳輸?shù)陌踩珕栴}進(jìn)行研究，利用智能反射表面屏蔽竊聽者處的信號(hào)接收。在完美和不完美CSI條件下，通過聯(lián)合優(yōu)化時(shí)間分配，功率分配，無源反射相位，實(shí)現(xiàn)了保密率的最大化。仿真結(jié)果表明，所提算法能更好地提升系統(tǒng)的保密性能和安全能效。
猜你喜歡
開放教育研究(2021年3期)2021-05-25 02:41:06
小學(xué)科學(xué)(學(xué)生版)(2020年12期)2021-01-08 09:28:04
裝備制造技術(shù)(2020年4期)2020-12-25 05:26:24
表面工程與再制造(2019年6期)2019-08-24 06:40:04
文苑(2018年23期)2018-12-14 01:06:06
文苑(2018年19期)2018-11-09 01:30:14
文苑(2018年17期)2018-11-09 01:29:26
文苑(2018年21期)2018-11-09 01:22:32
商周刊(2018年18期)2018-09-21 09:14:46
能源(2018年4期)2018-05-19 01:53:44
