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.docx

"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" 在本文中，我们讨论了不准确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。随着5G技术的商用和6G技术的研究和发展，无线通信的传输速率不断提高。但是，无线通信网络仍然在硬件成本、资源分配、信息安全等方面还有很多问题需要解决。 物理层安全技术通过利用无线信道的随机性、时变性、空间唯一性等特性提高系统传输安全性。在物理层安全中，多天线波束成形和人工噪声技术是重要的技术手段。智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)是一种成本低廉的无源设备，没有射频单元和基带处理电路，仅反射无线信号，通过调整反射单元的相位和幅度，可以实现对无线环境的智能控制。 在IRS辅助安全无线通信的研究中，大部分工作集中在以提升安全传输速率为目标的基站波束成形矢量、功率分配、IRS相移矩阵的优化的研究上。然而，在IRS辅助的无线通信系统中，由于IRS的无源特性，利用传统的信道估计技术只能获得发射机-IRS-接收机级联信道的CSI。近些年，学术界对适用于IRS辅助通信系统的信道估计技术进行了研究，提出了一些估计方法。 在物理层安全的研究中，一般假设合法信道的CSI准确已知，而窃听信道的CSI则分为已知、部分已知(或存在误差)或未知等几种情况。针对不同的情况，需要采用不同的安全方案。在本文中，我们研究了IRS辅助的多用户下行系统中的物理层安全性能的优化问题。基站与用户之间缺少直传链路，需要利用IRS反射形成传输链路。多个用户之间信息需要相互保密，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情况下的安全传输问题。 由于信道的时变性，基站拥有窃听信道的CSI为过时信息，与真实的CSI间存在误差。在此条件下，以最坏情况下的保密速率最大化为目标，联合优化基站发射信息信号和人工噪声的波束成形矢量以及IRS相移矩阵。本文利用松弛变量、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等价的凸问题并求解。 与文献[9-11]的研究相比，本文的研究有以下特点：(1)当优化问题的目标为最大化系统保密速率时，优化问题求解较为困难，所以一些文献以某个安全性能指标作为约束，优化系统的其他性能，如合法用户速率最大化[9]、基站发送功率最小化[10]等。而本文以保密速率最大化为优化目标，理论和实际价值更高；(2)文献[11]没有使用人工噪声来增强保密性能，本文在与其相同的CSI条件下，采用人工噪声提升系统的保密速率，但优化问题的复杂度也更高。 本文研究了IRS辅助的多用户下行系统中的物理层安全性能的优化问题，并采用了松弛变量、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等价的凸问题并求解。该研究对于提高无线通信系统的安全性能具有重要的理论和实际价值。