非理想信道状态信息下RIS辅助的安全通信

利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助无线发射机,可提高多用户无线网络的安全传输能力。在非理想信道状态信息(Channel State Information, CSI)下提出了鲁棒波束形成优化方法来提高系统对抗干扰和窃听攻击的能力。具体地,使用RIS辅助发射机,对RIS的相位波束形成和基站的传输功率进行联合优化,在分别满足有界CSI的最坏情况速率约束和统计CSI的速率中断概率约束来最小化系统的总传输功率。由于存在CSI误差,针对有界CSI和统计CSI误差约束,分别利用S-procedure来松弛保密速率约束和大偏差不等式(Large Deviation Inequality, LDI)来松弛保密速率中断概率约束。仿真结果表明,相比于无源反射法和传统波束形成方案,该方法可分别降低约88%和93%总传输功率,同时提高约15 dBm和12 dBm的干扰容限。     

面向窃听用户的RIS-MISO系统鲁棒资源分配算法

针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题,该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先,考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束,基于有界信道不确定性,建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后,利用Dinkelbach,S-procedure和交替优化方法,将原非凸问题转换成确定性凸优化问题,并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明,与传统非鲁棒算法对比,所提算法具有较低的中断概率。     

基于MIMO室内可见光通信系统最大化保密速率分析

可见光通信(VLC)物理层安全研究对于VLC的商用化和普及有着重要的作用.以一个多输入多输出(MIMO)室内VLC系统为模型,先分别推导了窃听者串通和非串通情况下的保密容量下限表达式并进行分析对比,然后针对非串通情况提出了一种最优的波束赋形方案来最大化保密速率,最后进行了数值仿真.仿真结果表明:非串通情况下的保密容量优...     

基于RIS的车路协同反向散射保密通信方法

考虑到未来车联网对能量消耗和网络寿命前所未有的需求,将BackCom和RIS技术应用于V2I无线通信系统,以满足基础设施广泛部署的场景和需求。这两种技术都可以在没有射频发射元件的情况下实现被动低功耗的数据传输。在所引入的系统模型中,一个安装在路边基础设施上的RIS通过反向散射来自附近基站的信号向多个合法用户发送机密信息。然而,反向散射信号存在被窃听的风险。因此,假设存在多个窃听者试图拦截RIS的信息。然后,通过联合优化基站的主动波束形成和RIS反射系数,实现最小保密速率的最大化。最后,基于一种替代算法进行了大量仿真,验证了所考虑系统和所提出优化方案的可行性和有效性。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）,它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息（Channel State Information,CSI）一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个 RIS的选择方案,在保证通信系统保密性的同时,进一步提高了能量效率。通过对所设计算法进行复杂度分析,证明了所设计方案的可行性和有效性。接着对联合波束成形RIS辅助的人工噪声方案进行了仿真分析。最后得出结论,即窃听CSI未知时,通过合理联合优化RIS和基站波束成形进行功率分配,并结合多RIS选择技术,可以降低窃听者处信号质量,同时提高通信系统的能量效率,最终实现保密通信。      

中继网络中不准确信道状态信息下抗多窃听者的物理层安全方案

该文研究存在多个相互勾结的单天线窃听者的多中继传输系统中,采用零空间人工噪声和放大转发的中继波束赋形的物理层安全传输方案。在中继窃听端的信道状态信息不准确的情况下,基于半定规划理论,对中继的波束赋形加权矩阵和人工噪声协方差矩阵进行联合优化,有效减少相互勾结的多个窃听者所获得的信息量,显著提高系统保密容量,是一种具有良好鲁棒性的物理层安全传输方案。仿真结果显示方案具有良好的性能。     

不准确CSI下智能反射表面辅助的多用户系统物理层安全方案设计

该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密,每个时隙,非信息传输的目标用户视为窃听者,因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性,基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information, CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下,以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标,对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量,以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题,利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于基准方案,该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。     

基于MF协议的协作NOMA系统物理层安全性能研究

针对协作非正交多址(NOMA)系统中信息安全传输问题,该文提出一种基于修改转发(MF)中继的物理层安全(PLS)传输方案。该方案利用MF中继将解码信息修改后再转发,避免了合法信息泄露到窃听节点。首先对NOMA-MF系统进行建模,然后推导了系统安全中断概率(SOP)、严格正保密容量(SPSC)和窃听概率(IP)来衡量系统的保密性和安全性,以及中断概率(OP)以衡量其可靠性。此外,推导了系统的渐近性能,对比分析了解码转发(DF)协议下NOMA-DF系统与NOMA-MF系统的性能。推导及仿真结果表明：NOMA-MF系统的保密性能和安全性能比NOMA-DF系统更具有优势;NOMA-MF系统的OP和IP之间存在最优信噪比(SNR)以实现系统安全及可靠性的平衡;存在最佳功率分配参数以实现最低的SOP和OP。     

基于非正交多址接入的移动边缘计算安全节能联合资源分配

为提高基于非正交多址接入(NOMA)的移动边缘计算(MEC)系统中计算任务部分卸载时的安全性,该文在存在窃听者情况下研究MEC网络的物理层安全,采用保密中断概率来衡量计算卸载的保密性能,考虑发射功率约束、本地任务计算约束和保密中断概率约束,同时引入能耗权重因子以平衡传输能耗和计算能耗,最终实现系统能耗加权和最小。在满足两个用户优先级情况下,为降低系统开销,提出一种联合任务卸载和资源分配机制,通过基于二分搜索的迭代优化算法寻求问题变换后的最优解,并获得最优的任务卸载和功率分配。仿真结果表明,所提算法可有效降低系统能耗。     

智能反射面实现空间调制的安全系统性能分析

为了解决安全空间调制系统中合法信道增益差的问题,提出了一种用智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)实现空间调制的物理层安全传输方案。IRS接收到发射端发射的幅相调制信号后,通过选择不同的IRS反射元件序号对空域部分信息进行映射,再将信号反射到接收端,以增大窃听端获取完整信息的难度。此外,在发射端采用波束赋形和天线分集技术,提高了系统有效性和可靠性。对系统的保密速率和误比特率进行的理论分析和仿真实验结果表明,所提方案不仅可以提高系统保密速率,还可以降低合法接收端的误比特率。     

自适应窃听下NOMA用户协作干扰的物理层安全研究

在存在一个半双工自适应窃听者的通信模型中,分析了采用非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术合作系统的性能。提出了一种新型的合作NOMA方案,该方案在中继转发时,强用户可充当中继协助转发弱用户信号,而弱用户采用全双工技术向窃听者发送干扰信号,提高了通信链路的安全性和用户的服务质量。合法接收端采用连续干扰消除(SIC)技术,以解码来自叠加信号的各个消息。在已知窃听信道统计信道状态信息(CSI)的情况下,分别推导了2个用户的安全中断概率和中断概率的闭合表达式,并通过Monte-Carlo仿真验证。理论分析和数值模拟结果均表明所提出的NOMA用户合作方案在保密率方面优于非合作方案的性能。     

基于智能反射面辅助的无人机中继系统安全通信方法

为了提高无人机中继系统的安全通信性能,解决无线信道受障碍物遮挡问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中,通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移,最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题,该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项,然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率,并且具有良好的收敛性。     

一种基于SIC-CDM的低复杂度混合波束赋形方案

为了平衡毫米波大规模多输入多输出系统的性能和硬件开销,降低系统功耗,以频谱效率为优化目标,在部分连接结构下提出了一种收发端联合设计的低复杂度混合波束赋形方案。首先,基于连续干扰消除将原始优化问题转化为多个子阵的速率优化问题;然后,利用坐标下降法完成模拟波束赋形矩阵设计;最后,引入等效信道矩阵大幅降低矩阵维度,再对其进行奇异值分解获得数字波束赋形矩阵。仿真结果表明,与其他算法相比,所提算法在系统功耗降低的同时保持了较优的性能,且性能逼近部分连接结构的最优方案。     

全双工辅助的无人机上行通信抗窃听物理层安全技术研究

针对无人机上行通信链路的窃听攻击,提出一种全双工协同干扰的安全传输策略。方案利用收发双方在数据传输不同阶段的信息差异以及掌握的先验信息特征,向待传输信号注入人工噪声信号,从而使窃听链路形成干扰受限系统。在发射功率、无人机的机动性等约束条件下,建立最大化系统保密速率的联合优化问题,基于交替优化方法和连续凸近似技术将非凸问题转化为两个子问题,并设计了一种迭代优化算法进行求解。仿真结果表明,所提安全传输方案与其他参照方案相比,能够显著提高全双工无人机中继通信系统的保密速率,表现出更好的性能。     

异构携能通信网络中基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案

异构携能通信网络中信道状态信息不准确时,为保证信息、能量传输的安全性与可靠性,该文提出一种基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案。通过联合设计宏基站、微基站的下行信息波束及人工噪声矩阵,干扰窃听者,同时提升系统能量接收性能。在基站的发送功率约束、合法用户的信息接收及能量接收中断约束和窃听者的窃听信息中断约束下,以最大化系统能量接收性能为目标进行建模。针对该问题的非凸性,首先将其等效转化为一种易于处理的形式;而后进一步利用Berstein-type不等式处理其中的中断概率约束,将其转化为凸的问题进行求解。仿真结果验证了该方案的安全性和鲁棒性。     

多波束赋形在非正交多址接入技术中的应用研究

为解决非正交多址接入(NOMA)技术在毫米波Massive MIMO系统中用户的分组受限于基站波束宽度的问题,提出了一种能够产生指向多个方向的波束的波束赋形方案.基于该多波束波束赋形方案,建立了多小区多用户场景下的用户资源分配的数学模型.为降低计算的复杂性,采用两阶段的资源分配算法.在第一阶段中,在给定的功率分配条件下将模型转化为联盟博弈中联盟的生成问题,并提出一种通过迭代确定用户分组和天线单元分配的算法;在第二阶段中,通过将非凸的数学优化问题转化为DC规划问题,提出用户功率分配的算法.仿真结果表明,本文所提多波束波束赋形方案能够有效产生指向多个方向的波束,且所提资源分配算法能够有效提高系统的性能.     

基于智能超表面的室内覆盖增强技术研究与实验验证

智能超表面(RIS)通过打造可重构主动智能无线环境,打破了无线通信系统中被动电波传播的局限性,为5G-Adv和6G发展创造了新的契机。该文介绍了RIS系统架构与工作原理,包括硬件设计与波束聚合原理等。搭建了RIS辅助的无线通信实验测试系统,通过对比无RIS、随机码本RIS及赋形码本RIS 3种情况下的测试结果,验证了RIS通过反射波束赋形实现覆盖增强的能力。     

智能反射面辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法

为了解决恶意干扰攻击、窃听和不完美信道状态信息造成的通信质量降低和安全性差等问题,该文提出一种智能反射面(IRS)辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法。首先,基于合法用户的最小安全速率约束、最大发射功率约束和IRS相移约束,在非法节点不完美信道状态信息、干扰器波束成形向量未知的情况下,构建了一个联合优化基站的波束成形向量、人工噪声的协方差矩阵和IRS的相移矩阵的鲁棒资源分配问题。其次,为了求解该非凸问题,利用交替优化、Cauchy-Schwarz不等式、连续凸逼近和泰勒级数展开等方法,将原问题转化为易于求解的凸优化问题。仿真结果表明,与传统算法相比所提算法能有效提高系统安全性、降低功率开销、提高抗干扰裕度,且在一定信道误差范围内能够减低约35%的保密中断概率,具有较强的鲁棒性。     

一种利用机器学习优化MIMO窃听信道天线选择的方法

为保障多输入多输出窃听信道系统中信息传输的保密性,提出了一种基于机器学习的天线选择方案。首先利用机器学习解决分类问题准确率高、处理大数据高效这一优势,设计了基于奇异值分解的特征值提取、基于信干噪比的标签赋值方案,建立了k最近邻分类器和逻辑回归分类器选择最优天线最大化保密性能(可达保密速率和保密中断概率)。与传统天线选择方案相比,所提方案获得了几乎一致的保密性能,并且大幅降低了系统的选择复杂度和误比特率。     

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题，提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束，以最大化系统安全速率为优化目标，在合法用户直射链路不可用的情况下，联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵，建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题；接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数，并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation, SCA)处理非凸的能量收集约束；最后基于交替优化框架，分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization, MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明，与现有方案相比，所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。