雙智能反射平面輔助無線攜能通信系統的安全通信優化

陳健鋒，崔苗,，張廣馳,，武慶慶，曾慧

研究與開發

雙智能反射平面輔助無線攜能通信系統的安全通信優化

陳健鋒1，崔苗1,2，張廣馳1,3，武慶慶4，曾慧2

（1. 廣東工業大學信息工程學院，廣東 廣州 510006；2. 中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；3. 廣東省信息光子技術重點實驗室，廣東 廣州 510006；4. 澳門大學智慧城市物聯網國家重點實驗室，澳門 999078）

研究采用兩個智能反射平面保障無線攜能通信系統信息傳輸的物理層安全。通過聯合優化兩個智能反射平面的反射波束成形和基站的發射波束成形以最大化系統的總信息傳輸速率，同時滿足基站的發射功率約束、能量收集用戶的最小能量收集約束與最大竊聽速率約束，以及智能反射平面反射系數的模一約束。由于存在兩個智能反射平面之間的反射鏈路，所構建優化問題的優化變量高度耦合，難以直接求解。提出一種基于交替優化、半正定松弛和連續凸逼近的算法求問題的次優解。仿真結果表明，與現有的基準方案相比，所提算法能在保證信息傳輸安全和滿足能量傳輸要求的情況下大幅提高系統的總數據速率。

雙智能反射平面；無線攜能通信；物理層安全

0 引言

隨著物聯網的日益普及和5G的全球性商用，學術界和工業界開始針對6G展開相關研究。除了速率比5G網絡提高10～100倍外，6G網絡還具有智能和開放的特性[1-2]。智能反射平面（intelligent reflecting surface，IRS）技術作為6G關鍵技術，能提高無線通信頻譜和能源效率，成為近年來工業界研究的熱點[3-5]。IRS利用大量低成本無源元件通過自適應動態調整反射信號的相移，重新配置無線傳播信道，使通信性能得到進一步優化。與傳統的有源波束成形技術相比，IRS消除了信號的放大和再生，從而享受更低的硬件成本、能耗和干擾[5]。文獻[6]研究了IRS輔助基于軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的通信系統，通過聯合優化基站發射功率和IRS的反射系數以最大化系統速率。文獻[7]則研究了在干擾信道中利用多個IRS輔助系統通信，通過聯合優化基站發射功率和IRS的反射系數以最大化可實現的速率區域。

另一方面，無線攜能通信（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）技術從提出至今已經得到廣泛的研究[8-11]，因其能在無線傳感器網絡、工業互聯網等場景中為大量低功耗設備供電，被認為是未來物聯泛在網絡的關鍵技術[12]。例如，在無線傳感器網絡場景中，一些傳感器節點由于部署環境限制等原因，存在難以供電的問題，因此利用SWIPT技術在信息傳輸的同時對節點進行能量傳輸，能解決傳感器節點的供電問題，擴大傳感器網絡的應用范圍，提高使用靈活性。

將IRS與SWIPT相結合，能同時發揮兩種技術的各自優勢。一方面，IRS能建立高質量虛擬視距的反射鏈路，通過優化IRS的被動波束成形，能有效提高用戶信噪比，且信噪比隨IRS反射單元的數目呈二次方增加，因而IRS能提高信息傳輸性能[3]。另一方面，IRS的智能反射能有效補償無線射頻信號的路徑損耗，從而在IRS附近建立有效的能量收集區域，提高能量傳輸效率。文獻[13]考慮了一個IRS輔助下行SWIPT的多輸入單輸出（multiple-input single-output，MISO）系統，基站向不同用戶分別發送信息和功率，通過交替優化基站的發射功率和IRS的反射相移以最大化能量收集用戶收到的能量。文獻[14]考慮了一個IRS輔助下行SWIPT的多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）系統，通過聯合優化基站的波束成形和IRS的反射系數在信道不完備的條件下最大化信息收集用戶的速率。文獻[15]則研究了一個IRS輔助下行SWIPT的MISO系統，基站將數據和能量一起發送給一組用戶，用戶采用功率分裂（power splitting，PS）的方式解碼數據并獲取能量，通過聯合優化基站的波束成形、功率分裂因子和IRS處的反射相移以最大化能源效率。但是，已有的研究均未考慮雙IRS輔助SWIPT系統進行通信。傳統的單IRS輔助SWIPT系統由于路徑損耗的存在，存在服務范圍較小、難以同時滿足信息收集用戶與能量收集用戶的服務質量（quality-of-service，QoS）等問題。通過部署兩個不同的IRS在能量收集用戶群和信息收集用戶群附近，引入了兩個IRS之間的反射鏈路，能為無線攜能通信提供新的路徑，增加新的優化自由度，不僅能提高能量收集用戶和信息收集用戶的服務質量，而且能有效增加系統的服務覆蓋范圍。

SWIPT系統的信息傳輸容易受到竊聽，信息通信安全已經成為該系統亟待解決的關鍵問題之一。例如，為了滿足充能需求，能量收集用戶通常比信息收集用戶更加靠近基站，具有更高的信道增益，由于信息信號和能量信號是同時傳輸的，能量收集用戶往往比信息收集用戶接收到更強的信息信號，因此竊聽信息收集用戶的隱私信息成為可能。近年來，除了在應用層上采用傳統的加密方法外，為現代無線通信所設計的物理層安全（physical layer security，PLS）的方法已經被提出，如協作中繼[16]、人工噪聲[17]和協同干擾[18]等。同時，一些PLS相關問題的研究已經應用到IRS輔助的通信系統之中[19-23]。文獻[19]首先研究IRS輔助的多天線系統的物理層安全問題，通過優化基站的波束成形和IRS的反射系數，相較于無IRS的情況能大大提高信息保密率。文獻[20]提出了一種魯棒傳輸波束成形的算法以及采用人工噪聲的方法降低多天線竊聽者的竊聽速率以實現IRS輔助系統中的安全通信。文獻[21]則首次應用雙IRS輔助系統通信，在考慮了IRS之間的反射鏈路的情況下，通過聯合優化基站的波束成形和IRS的反射相移來最大化系統安全速率。文獻[22]考慮了一個IRS輔助SWIPT的MISO系統，其中能量收集用戶為潛在竊聽者，通過聯合優化基站處的波束成形向量和人工噪聲矩陣以及IRS處的反射相移最大化系統的能量效率。文獻[23]則考慮了一個IRS輔助SWIPT的MIMO系統，其中能量收集用戶是潛在竊聽者，通過聯合優化基站的發射功率和IRS的反射相移最大化系統保密率。但是，文獻[13-15]均沒有考慮傳輸過程中的安全性問題，文獻[19]、文獻[21]和文獻[23]只考慮了單個用戶和單個竊聽者的情況，文獻[20]雖然考慮了多用戶和多竊聽者的存在，但是沒有考慮無線能量傳輸的場景。因此，上述工作雖然研究了IRS輔助SWIPT系統的安全通信，但是雙IRS輔助SWIPT系統且考慮IRS之間反射鏈路的安全通信還沒有文獻報道，其中同時保證多個用戶的信息傳輸安全和能量接收質量是研究的難點。

綜上所述，本文研究一個由雙IRS輔助的下行SWIPT多用戶安全通信系統，其中部署了兩個IRS去輔助系統的信息和能量傳輸。研究通過聯合優化IRS的反射系數以及基站的發射波束成形，在滿足基站發射功率約束、能量收集用戶的最低能量傳輸要求與最大竊聽速率約束，以及IRS反射系數的模一約束的條件下，最大化信息傳輸總速率。與單IRS系統優化相比，雙IRS優化不僅要考慮兩個IRS分別到用戶之間的反射信道，還需要考慮如何更好地利用兩個IRS之間更好的信道來實現協作波束成形增益，并且雙IRS輔助的SWIPT系統的服務覆蓋范圍更廣，既能限制能量收集用戶的竊聽速率，保障信息傳輸的物理層安全，又確保能量傳輸達到要求。本文的創新點可以歸納為以下兩點。

為保障SWIPT系統信息傳輸的絕對安全性，考慮所有能量接收用戶均為潛在的竊聽者，利用兩個IRS創建的額外反射鏈路來輔助無線攜能通信，既能提高信息傳輸速率和能量傳輸功率，又能確保信息安全。相關研究還沒有文獻報道。

本文所考慮的優化問題為非凸優化問題且優化變量高度耦合，使得難以求得問題的全局最優解。首先引入松弛變量，將各優化變量進行解耦，接著采用半正定規劃（semidefinite programming，SDP）、半正定松弛（semidefinite relaxation，SDR）和連續凸逼近（successive convex approximation，SCA）等方法將非凸優化問題轉化為可解的凸優化問題，再采用交替優化（alternating optimization, AO）和高斯隨機法求得問題的高質量可行解。在求解過程中的優化變量解耦和子問題恒等變形上具有一定的創新性。

仿真結果表明，與“無IRS輔助通信”“只有IRS 1輔助通信”“只有IRS 2輔助通信”“基站MRT（maximum ratio transmission），雙IRS均優化”“基站MRT，只優化IRS 1”和“基站MRT，只優化IRS 2”這6種基準方案相比，本文所提出的優化算法在信息傳輸總速率上有大幅度的提升，且能量收集用戶的最小能量傳輸要求得到了滿足，其竊聽速率也被限定，因此所提聯合優化IRS的反射相移和基站的發射功率的算法具有優越的性能。

1 系統模型

圖1 雙IRS輔助的下行SWIPT多用戶通信系統

其中：

其中：

2 問題構建及優化算法

2.1 問題構建

2.2 固定、和，優化

其中：

同理可得：

（25）

其中：

（P2）：

（31）

其中，

其中：

2.3 固定、和，優化

其中：

2.4 固定和，優化和

（P6）：

其中：

2.5 算法總結

綜上所述，本文所提算法的求解過程如下面的偽代碼所示：

重復：

令1。

3 仿真結果

圖2 各節點的位置分布

將所提算法與下列7種基準方案進行對比。

上界：在交替優化求解問題（P0）的過程中，求解松弛問題（P6）。

以下的所有仿真結果均是隨機500次信道衰落后取其平均值得到的。

圖3 不同方案下，系統總速率隨基站發射功率變化的情況（N=64，=152 m， m，=150 m）

圖4 不同方案下，系統總速率隨IRS反射單元數目N變化的情況（=35 dBm，=152 m， m，=150 m）

圖5 不同方案下，系統總速率隨信息收集用戶群的中心位置到基站的距離變化的情況（=35 dBm，N=64， m，=150 m）

圖6 不同方案下，系統總速率隨IRS 2到基站水平距離變化的情況（=35 dBm，N=64，=152 m， m）

所提算法的系統總速率隨基站發射天線數目增加的變化情況如圖7所示。圖7中顯示系統總速率隨著發射天線數目的增加而不斷增大，且當基站發射功率分別為4 W、8 W和12 W時，基站配備10根發射天線比配備5根發射天線時系統總速率提升分別為10.7%、9.3%和9.0%，這是因為發射天線數目越多，信道增益越大，由此導致的系統總速率增益就越大。另外基站的發射功率越大，信息收集用戶出的信噪比就越大，信號質量越高，因此系統總速率就越大。還觀察到提出的交替優化算法在基站不同發射功率下的系統總速率遠遠大于最壞情況下能量收集用戶總的竊聽速率8 bit/（s·Hz），說明所提算法能有效保障系統的物理層安全。上述結果表明適當增加基站的發射天線數目能獲得更高的系統總速率收益，由于能量收集用戶的竊聽速率受限，因而也能獲得更高的物理層安全性能。

圖7 不同發射功率下，所提算法的系統總速率與基站發射天線數的關系（N=32，=152 m， m，=150 m）

4 結束語

本文考慮IRS之間存在反射鏈路的雙IRS輔助下行SWIPT多用戶安全通信系統，通過聯合優化IRS 1、IRS 2的反射相移和基站的波束成形，在保證能量傳輸滿足要求并限制潛在竊聽者的竊聽速率的情況下，最大化系統的信息傳輸總速率。由于構建的優化問題是非凸優化問題且優化變量高度耦合，本文首先采用引入松弛變量、SDR和SCA等方法將非凸優化問題轉化為可解的凸優化問題，然后采用交替優化和高斯隨機法求得原問題的近似解。仿真結果表明，與6種基準方案相比較，本文所提出的方案不僅能保證能量收集用戶的最低能量傳輸要求，而且能提高信息傳輸的安全性。與單IRS系統相比，雙IRS輔助的SWIPT系統能充分利用兩個IRS間的反射信道，從而獲得更高的信息傳輸速率增益。聯合優化IRS的反射系數和基站的波束成形比只優化其中一項在速率性能上有大幅提升，充分顯示聯合優化的有效性。

[1] ZHOU Y Q, LIU L, WANG L, et al. Service-aware 6G: an intelligent and open network based on the convergence of communication, computing and caching[J]. Digital Communications and Networks, 2020, 6(3): 253-260.

[2] ZHOU Y Q, TIAN L, LIU L, et al. Fog computing enabled future mobile communication networks: a convergence of communication and computing[J]. IEEE Communications Magazine, 2019, 57(5): 20-27.

[3] WU Q Q, ZHANG R. Intelligent reflecting surface enhanced wireless network via joint active and passive beamforming[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019, 18(11): 5394-5409.

[4] WU Q Q, ZHANG R. Towards smart and reconfigurable environment: intelligent reflecting surface aided wireless network[J]. IEEE Communications Magazine, 2020, 58(1): 106-112.

[5] ZHANG D C, WU Q Q, CUI M, et al. Throughput maximization for IRS-assisted wireless powered hybrid NOMA and TDMA[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2021, 10(9): 1944-1948.

[6] LI Y Q, JIANG M, ZHANG G C, et al. Achievable rate maximization for intelligent reflecting surface-assisted orbital angular momentum-based communication systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(7): 7277-7282.

[7] JIANG M, LI Y Q, ZHANG G C, et al. Achievable rate region maximization in intelligent reflecting surfaces-assisted interference channel[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(12): 13406-13412.

[8] GROVER P, SAHAI A. Shannon meets Tesla: wireless information and power transfer[C]//Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Information Theory. Piscataway: IEEE Press, 2010: 2363-2367.

[9] ZHANG R, HO C K. MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 12(5): 1989-2001.

[10] LIU L, ZHANG R, CHUA K C. Wireless information transfer with opportunistic energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013, 12(1): 288-300.

[11] LIU L, ZHANG R, CHUA K C. Secrecy wireless information and power transfer with MISO beamforming[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2014, 62(7): 1850-1863.

[12] WONG V W S, SCHOBER R, NG D W K, et al. Key Technologies for 5G Wireless Systems[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2017.

[13] WU Q Q, ZHANG R. Weighted sum power maximization for intelligent reflecting surface aided SWIPT[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2020, 9(5): 586-590.

[14] YANG Z Y, ZHANG Y. Optimal SWIPT in RIS-aided MIMO networks[J]. IEEE Access, 2021, 9: 112552-112560.

[15] ZARGARI S, KHALILI A, ZHANG R. Energy efficiency maximization via joint active and passive beamforming design for multiuser MISO IRS-aided SWIPT[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2021, 10(3): 557-561.

[16] LI J Y, PETROPULU A P, WEBER S. On cooperative relaying schemes for wireless physical layer security[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2011, 59(10): 4985-4997.

[17] SUN Y, NG D W K, ZHU J, et al. Robust and secure resource allocation for full-duplex MISO multicarrier NOMA systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2018, 66(9): 4119-4137.

[18] DONG L, HAN Z, PETROPULU A P, et al. Improving wireless physical layer security via cooperating relays[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2010, 58(3): 1875-1888.

[19] CUI M, ZHANG G C, ZHANG R. Secure wireless communication via intelligent reflecting surface[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2019, 8(5): 1410-1414.

[20] YU X H, XU D F, SUN Y, et al. Robust and secure wireless communications via intelligent reflecting surfaces[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020, 38(11): 2637-2652.

[21] DONG L M, WANG H M, BAI J L, et al. Double intelligent reflecting surface for secure transmission with inter-surface signal reflection[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(3): 2912-2916.

[22] LIU J X, XIONG K, LU Y, et al. Energy efficiency in secure IRS-aided SWIPT[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2020, 9(11): 1884-1888.

[23] NIU H H, LEI N. Intelligent reflect surface aided secure transmission in MIMO channel with SWIPT[J]. IEEE Access, 2020(8): 192132-192140.

[24] GOEL S, NEGI R. Guaranteeing secrecy using artificial noise[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(6): 2180-2189.

[25] NEGI R, GOEL S. Secret communication using artificial noise[C]//Proceedings of VTC-2005-Fall. 2005 IEEE 62nd Vehicular Technology Conference, Piscataway: IEEE Press, 2005.

[26] BOYD S, VANDENBERGHE L. Convex optimization[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.

[27] ZHAN C, ZENG Y. Completion time minimization for multi-UAV-enabled data collection[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019, 18(10): 4859-4872.

[28] WU Q Q, ZHANG R. Intelligent reflecting surface enhanced wireless network: joint active and passive beamforming design[C]//Proceedings of 2018 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). Piscataway: IEEE Press, 2018: 1-6.

[29] PóLIK I, TERLAKY T. Interior point methods for nonlinear optimization[M]//Nonlinear optimization, Berlin, Germany: Springer, 2010.

Secure communication optimization for double-IRS assisted SWIPT system

CHEN Jianfeng1, CUI Miao1,2, ZHANG Guangchi1,3, WU Qingqing4, ZENG Hui2

1. School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China 2. No.7 Research Institute of China Electronics Technology Group Cooperation, Guangzhou 510310, China 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Information Photonics Technology, Guangzhou 510006, China 4. State Key Laboratory of Internet of Things for Smart City, University of Macau, Macau 999078, China

Two intelligent reflecting surfaces (IRS) was applied to ensure the physical layer security of the information transmission in a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system, where a multi-antenna base station (BS) simultaneously transmits information and energy to multiple single-antenna information receivers (IR) and energy receivers (ER) and the ERs are regarded as potential information eavesdroppers. The system deploys two IRSs to ensure the security of information transmission while meeting the requirements of energy transmission. Due to the inter-IRS signal reflection, the variables of the considered optimization problem are highly coupled, thus the problem is difficult to solve. To tackle this difficulty, an algorithm based on the alternating optimization, semidefinite relaxation, and successive convex approximation methods was proposed to obtain a suboptimal solution to the problem. Simulation results show that the proposed algorithm can significantly increase the total rate of the IRs and guarantee the security of the information transmission and the requirement of energy transmission, as compared to some existing benchmark schemes.

double-intelligent reflecting surface, simultaneous wireless information and power transfer, physical layer security

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022015

2021?12?01；

2021?12?06

張廣馳，cepool@163.com

國家重點研發計劃項目（No.2020YFB1805300）；廣東省科技計劃項目（No.2021A0505030015，No.2020A050515010，No.2019B010119001）；澳門科學技術發展基金項目（No.SKL-IOTSC(UM)-2021-2023，No.0119/2020/A3，No.0108/2020/A）；廣東省自然科學基金資助項目（No.2021A1515011900）；東南大學移動通信國家重點實驗室公開項目（No.2021D15）；廣東特支計劃項目（No.2019TQ05X409）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1805300), The Science and Technology Plan Project of Guangdong Province (No.2021A0505030015, No.2020A050515010, No.2019B010119001), Science and Technology Development Fund of Macau SAR (No.SKL-IOTSC(UM)-2021-2023, No.0119/2020/A3, No.0108/2020/A), The Natural Science Foundation of Guangdong Province (No.2021A1515011900), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2021D15), Special Support Plan for High-Level Talents of Guangdong Province (No.2019TQ05X409)

陳健鋒（1998?），男，廣東工業大學信息工程學院碩士生，主要研究方向為智能反射面和物理層安全。

崔苗（1978?），女，廣東工業大學信息工程學院講師，主要研究方向為新一代無線通信技術。

張廣馳（1982?），男，廣東工業大學信息工程學院教授，主要研究方向為新一代無線通信技術。

武慶慶（1991?），男，博士，澳門大學助理教授、科睿唯安全球高被引科學家，主要研究方向為智能反射面等新一代無線通信技術。

曾慧（1983?），男，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信系統設計、物聯網系統應用等。