智能反射面輔助無人機的物理層安全傳輸方案

代秋香 肖海林 張中山 張躍軍

摘 要：在無線通信系統(tǒng)中，信息發(fā)送端和接收端之間的通信鏈路易受到建筑物的遮擋和非法者的主動竊聽。利用無人機（unmanned aerial vehicle，UAV） 靈活的移動性以及智能反射面（intelligent reflective surface，IRS） 在無線環(huán)境中智能可控特性，提出一種智能反射面輔助無人機的物理層安全傳輸方案，以最大化系統(tǒng)平均保密率。該方案首先采用塊坐標(biāo)下降法將最大化系統(tǒng)平均保密率問題分解為UAV-IRS飛行軌跡優(yōu)化、IRS相移優(yōu)化以及系統(tǒng)傳輸功率優(yōu)化三個子問題；其次，通過引入松弛變量、相位對齊以及逐次凸逼近方法將每個子問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題；最后，再運用交替優(yōu)化方法逐次求解三個凸優(yōu)化問題。數(shù)值仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)平均保密率與源節(jié)點發(fā)射功率、UAV-IRS飛行位置和高度、IRS反射元件數(shù)量等因素有關(guān)。并且與另外兩個基準(zhǔn)方案相比，所提的方案能有效地提高系統(tǒng)的平均保密率，并且具有較好的收斂性。

關(guān)鍵詞：無人機；智能反射面；物理層安全；平均保密率

中圖分類號：TP918?? 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695（2023）09-037-2798-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.12.0827

Safe transmission scheme of physical layer for intelligent reflecting surface assisted unmanned aerial vehicle

Dai Qiuxiang1，Xiao Hailin1，Zhang Zhongshan2，Zhang Yuejun3

（1.School of Computer Science & Information Engineering，Hubei University，Wuhan 430000，China；2.School of Information & Electronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Faculty of Information Science & Technology，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

Abstract：In wireless communication system，buildings or active eavesdroppers by illegal devices can block the communication link between the transmitter and receiver.Utilizing the flexible mobility of UAV and the intelligent controllable characteristic of IRS in wireless environment，this paper proposed a safe transmission scheme of physical layer for IRS assisted UAV to maximize the averaged secrecy rate of the legitimate link.The scheme firstly utilized block coordinate descent method to decompose the average secrecy rate maximization problem of the system into three sub-problems：UAV-IRS flight trajectory optimization，IRS phase shift optimization and transmission power optimization.And then，this scheme transformed each subproblem into a convex optimization subproblem by utilizing relaxation variables，phase alignment and successive convex approximation methods，respectively.Furthermore，this paper used the alternating optimization method to obtain the maximum average secrecy rate of the system.Numerical simulation results show that the transmission power of the source node，the flight position and altitude of UAV-IRS and the number of IRS reflective elements are the main factors for improving the averaged secrecy rate of the legitimate link.The proposed scheme can effectively improve the average secrecy rate of the system with good convergence by comparing with the other two benchmark schemes.

Key words：unmanned aerial vehicle（UAV）；intelligent reflective surface（IRS）；physical layer security（PLS）；average secrecy rate

0 引言

無線通信技術(shù)在滿足高覆蓋、低延遲通信需求的同時，也面臨著信息傳輸過程中有效性和安全性問題。一方面信息傳播環(huán)境的復(fù)雜性，例如城市建筑群、高密度森林等會給信息的傳輸帶來遮擋，造成信道的衰落和信號失真；另一方面無線信道具有廣播特性，使得無線通信系統(tǒng)面臨著非法者的竊聽、干擾等威脅。近些年來，物理層安全技術(shù)的提出為無線通信系統(tǒng)的安全性提供了新方案。與使用密鑰對傳輸信號進行加密來保證信息安全不同，物理層安全技術(shù)通過天線選擇技術(shù)、波束成形、協(xié)同中繼和協(xié)作干擾等來實現(xiàn)通信與安全一體化［1，2］。然而，這些技術(shù)也會給通信系統(tǒng)增加額外的噪聲干擾以及能量消耗［3，4］。

智能反射面（IRS）是一種具有可重構(gòu)無線傳播環(huán)境，能給信息傳輸和處理帶來新范式的新興技術(shù)［5］。具體來說，IRS是由大量可調(diào)控電磁單元排列組成，通過有源控制器動態(tài)地調(diào)控每個電磁單元的電磁特性，進而實現(xiàn)對空間電磁波的智能調(diào)控［6］。調(diào)控完成后使得傳輸信號在合法端加強，在非法竊聽端反相消減，從而提升無線通信系統(tǒng)的安全性。文獻［7］研究了存在單個竊聽者的情況下，通過聯(lián)合優(yōu)化源傳輸協(xié)方差矩陣和IRS的相移矩陣，提高了IRS輔助的多輸入單輸出（multiple-input single-output，MISO） 無線通信系統(tǒng)保密率的性能。文獻［8］考慮了竊聽信道比合法信道更強且兩者在空間上高度相關(guān)的研究場景，通過聯(lián)合優(yōu)化傳輸波束形成和IRS反射波束形成，最大限度地提高通信系統(tǒng)保密率。在文獻［8］的基礎(chǔ)上，文獻［9］進一步研究了存在多個合法用戶和多個竊聽者的場景，在滿足功率約束和相移約束的情況下，實現(xiàn)最小保密率最大化。文獻［10］研究了存在多個竊聽者的情況下最小化發(fā)射功率的問題，通過將原始優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃問題，實現(xiàn)了比半定規(guī)劃更低的復(fù)雜度。

無人機具有高機動性和視距傳輸特性，與IRS結(jié)合為提升無線通信系統(tǒng)的性能帶來了新的方案。文獻［11］研究了無人機與地面用戶之間的視距鏈路（line of sight，LoS）被復(fù)雜的城市環(huán)境所阻塞，提出了一種IRS輔助無人機通信系統(tǒng)。文獻［12］研究了存在單個竊聽者的情況下，在空間立面上部署IRS以協(xié)助從無人機到地面用戶的無線傳輸，利用逐次凸逼近和半定規(guī)劃方法將所研究問題轉(zhuǎn)換為凸問題進行求解。在文獻［12］的基礎(chǔ)上，文獻［13］把無人機擔(dān)任空中基站的靜態(tài)部署場景進一步延伸，考慮了無人機的三維機動性，在滿足動態(tài)飛行軌跡的約束條件下，通過引入松弛變量和運用逐次凸逼近（successive convex approximation，SCA）方法，對軌跡優(yōu)化子問題進行求解，然后利用分式規(guī)劃方法，將IRS相移轉(zhuǎn)換為一系列參數(shù)子問題，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的平均保密高于僅軌跡優(yōu)化和僅IRS優(yōu)化這兩個基準(zhǔn)方案。

在現(xiàn)有的大多數(shù)研究中，IRS被集中部署在建筑外墻或者室內(nèi)墻壁上，不僅受到城市景觀、場地租金等現(xiàn)實影響，還對性能造成一定的限制。主要原因是部署在建筑墻壁或者立面上的IRS只能服務(wù)一半的空間終端，即源節(jié)點和目的節(jié)點只能位于IRS的同一側(cè)。此外，在關(guān)于IRS與無人機結(jié)合的部分工作中，忽視從源節(jié)點到目的節(jié)點的直接鏈路，會導(dǎo)致信息傳輸不完整。在實際場景中，即使直接鏈路可能因為樹木、建筑物等遮擋而受阻，但仍然會存在一些散射和折射信號?；诖耍疚难芯苛嗽谠垂?jié)點和目的節(jié)點之間存在少量散射和折射信號情況下，智能反射面輔助無人機的物理層安全傳輸方案。

1 系統(tǒng)模型與問題描述

如圖1所示，在存在非法竊聽者Eve的情況下，無人機搭載的智能反射面作為中繼，將源節(jié)點S的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h方的目的節(jié)點D。為了便于系統(tǒng)模型問題構(gòu)建，將整個通信系統(tǒng)位于三維笛卡爾坐標(biāo)系中。源節(jié)點S的坐標(biāo)為（wS，0），目的節(jié)點D的坐標(biāo)為（wD，0），竊聽者的坐標(biāo)為（wE，0），其中wS=（xS，yS）、wD=（xD，yD）、wE=（xE，yE）分別表示S、D、E的水平坐標(biāo)。UAV搭載IRS在T時間內(nèi)以固定高度H飛行，為了便于分析，將UAV搭載IRS的飛行時間t分為N個時隙，每個時隙的長度為δt，則t=N×δt。在第n個時隙時，UAV-IRS的水平位置為q［n］=（x［n］，y［n］）T∈Euclid Math TwoRAp2，其中n∈1，…，N。

3 仿真結(jié)果與分析

在本章中，通過仿真結(jié)果來驗證本文算法的性能。本文通信系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下：源節(jié)點的水平位置為（-450，0），目的節(jié)點水平位置為（40，30），竊聽者的水平位置為（80，40），這三者均位于地面；無人機搭載智能反射面的起始飛行水平位置為（-450，50），終止水平位置為（500，50），最大飛行速度vmax=20 m/s；參考距離為1 m的信道增益β=-20 dB，目的節(jié)點和竊聽者Eve的噪聲功率為σ2D=σ2E=-80 dBm，d/λ=0.5；收斂閾值ε=10-3。

為了更好地分析本文方案的性能，將本文方案與兩個基準(zhǔn)方案進行比較，即：

基準(zhǔn)方案一：在本文方案中，不含有軌跡優(yōu)化和功率優(yōu)化。

基準(zhǔn)方案二：不含有IRS輔助無人機的的物理層安全傳輸方案［17］。

圖2表示當(dāng)無人機飛行時間t=100 s時，不同的情況下無人機的飛行軌跡圖?；鶞?zhǔn)方案一中不含有軌跡優(yōu)化和功率優(yōu)化，從圖2中可以看出，無人機搭載智能反射面會以最大速度從起點位置徑直飛向終點位置。在本文方案中，無人機搭載智能反射面快要接近目的節(jié)點的位置時，會靠近目的節(jié)點以增加目的節(jié)點接收到的信號來提高系統(tǒng)平均保密率。當(dāng)飛過目的節(jié)點所在位置時，無人機搭載智能反射面會逐漸遠離避免被竊聽者竊聽，隨后飛向終點位置?；鶞?zhǔn)方案二[17]與本文方案不同的是，當(dāng)無人機搭載智能反射面接近竊聽者位置時，會在最遠位置持續(xù)飛行一段時間，而且相比于本文方案會產(chǎn)生較大的偏移來獲得平均保密率的提高。

圖3表示在不同的飛行高度下，平均保密率與IRS單元數(shù)量之間的關(guān)系?；鶞?zhǔn)方案二中沒有搭載IRS，在同一飛行高度下增加IRS的個數(shù)，系統(tǒng)的平均保密率并不會發(fā)生變化。當(dāng)H=50 m或者80 m時，本文方案和基準(zhǔn)方案一的系統(tǒng)平均保密率都隨著IRS個數(shù)的增大而增大。這是因為IRS反射單元個數(shù)越多，IRS所帶來的陣列增益越大，系統(tǒng)性能得以增強。在相同方案下，飛行高度H=50 m時比H=80 m時獲得了更高的平均保密率。飛行高度的降低，帶來級聯(lián)信道增益的增大，系統(tǒng)平均保密率得以提高。此外，從圖3中還可以觀察到，在同一高度下，本文方案性能始終優(yōu)于兩個基準(zhǔn)方案，三者之間的差距隨著IRS個數(shù)的增加而增大。

圖4表示不同高度下，平均保密率與發(fā)射功率之間的關(guān)系。在基準(zhǔn)方案一中，系統(tǒng)的平均保密率隨著發(fā)射功率的增加而增加。在此方案中不含有軌跡優(yōu)化，當(dāng)發(fā)射功率超過8 dBm時，飛行高度由80 m降低到50 m并未給通信系統(tǒng)帶來性能的提升。在基準(zhǔn)方案二中，無人機不搭載智能反射面，作為基站直接與目的節(jié)點和竊聽者通信。無人機與兩者的信道增益值相近，當(dāng)發(fā)射功率由8 dBm增加到10 dBm時，系統(tǒng)的平均保密率提升很小。但是當(dāng)飛行高度降低到50 m時，系統(tǒng)平均保密率提高了30%左右。說明在此種方案下，降低飛行高度對系統(tǒng)平均保密率的提升作用要大于改變發(fā)射功率。在本文方案中，系統(tǒng)平均保密率隨著發(fā)射功率的增加而增加，并且顯著優(yōu)于兩個基準(zhǔn)方案。當(dāng)飛行高度為50 m時，本文方案相比于基準(zhǔn)方案一，系統(tǒng)平均保密率提升了19.9%。從圖4中還可以觀察到，當(dāng)發(fā)射功率增加到10 dBm時，通信系統(tǒng)的平均保密率增長速度變緩，這表明不能無限增加發(fā)射功率來獲得通信系統(tǒng)性能的提升。

圖5表示平均保密率與迭代次數(shù)之間的關(guān)系。從圖5中可以觀察到，基準(zhǔn)方案一平均保密率不隨著迭代次數(shù)的變化而變化，這是因為基準(zhǔn)方案一中不含有軌跡和功率優(yōu)化方案，只采用了相位對齊來使系統(tǒng)平均保密率最大化。本文方案與基準(zhǔn)方案二中，平均保密率隨著迭代次數(shù)的增加而增加，這兩種方案分別在第14和第10次迭代后都能達到很好的收斂，表明了這兩種方案的收斂性。從圖5中還可以觀察到當(dāng)飛行高度分別為50 m和80 m時，到達收斂的變化趨勢相近。本文方案迭代次數(shù)為16次，飛行高度為50 m時的系統(tǒng)平均保密率較飛行高度為80 m時的平均保密率提升了約11.3%。

4 結(jié)束語

本文研究了智能反射面輔助無人機的物理層安全問題。無人機搭載智能反射面作為空中中繼，降低系統(tǒng)功耗的用時也為無線通信系統(tǒng)提供了更大的靈活性。通過優(yōu)化UAV-IRS飛行軌跡、IRS相移和發(fā)射功率來最大化通信系統(tǒng)平均保密率。為了便于求解，采用塊坐標(biāo)下降法將系統(tǒng)平均保密最大化問題分解為三個子問題交替優(yōu)化求解。仿真實驗表明了在相同的高度下，隨著IRS個數(shù)和發(fā)射功率的增加，本文方案較兩個基準(zhǔn)方案系統(tǒng)的平均保密率均有較大的提升，并且具有良好的收斂性。以上結(jié)果表明了優(yōu)化發(fā)射功率、IRS相移和UAV搭載IRS對提高平均系統(tǒng)保密率的重要性。本文考慮了一個竊聽者和源節(jié)點服務(wù)于單個目的節(jié)點的情況，但可以將研究場景進一步推廣為竊聽者隨機分布下源節(jié)點服務(wù)于多個目的節(jié)點的場景。

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收稿日期：2022-12-19；修回日期：2023-02-02? 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（61872406）；廣西重點研發(fā)計劃資助項目（桂科AB23026034）；廣西自然科學(xué)基金資助項目（2018GXNSFBA281057）；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃資助項目（T2021001）

作者簡介：代秋香（1996-），女，湖北隨州人，碩士研究生，主要研究方向為智能反射面輔助通信、無人機通信；肖海林（1976-），男（通信作者），湖北黃岡人，教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向為5G/B5G智能信息處理（xhl_xiaohailin@163.com）；張中山（1974-），男，教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向為5G/B5G通信技術(shù)；張躍軍（1982-），男，副教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向為信息安全芯片與低功耗集成電路設(shè)計．