智能反射面辅助NOMA系统物理层安全技术研究

Intelligent Reflecting Surface Aided Secure Communications for NOMA Networks

1. 研究背景

非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access, NOMA）技术在降低传输时延和提高频谱效率方面具有显著优势，但是无线信道的开放性和NOMA点到多点的广播特性给信号传输带来严重安全威胁。传统采用波束赋形和人工噪声等物理层安全技术在合法用户和窃听用户传播方向相同时性能增益受限。为解决此问题，可以部署智能反射表面（Intelligent Reflecting Surface, IRS），通过优化其反射系数增强合法用户定向信号或削弱窃听信号。本文提出一种基于1-bit编码IRS架构，将反射面的连续相干相移转变为随机相移，以缓解NOMA系统传输安全以及实际IRS移相器分辨率受限下获取信道状态信息开销过大的问题。

2. 方法

采用表征IRS特性，其中M为反射单元个数，和分别表示IRS第m个反射单元的幅度系数和相位，且任意和的选择依赖于硬件精确设计。借助编码和数字超材料，每个单元均有一个由偏置直流电压控制的‘0’或‘1’状态，利用控制序列编码‘0’和‘1’，可操控电磁波实现不同功能。在1-bit编码方案下，的每一个对角元素由‘0’或‘1’替代。令，并定义，其中表示全1列向量，表示克罗内克积。的第p列表示为，满足，且时。由克罗内克积运算性质可知，p为矩阵的列数，反映系统的保密分集阶数；为每一列中‘1’的个数，决定反射单元的选择。基于1-bit编码随机相移策略，IRS辅助NOMA系统可达安全速率为：

其中和分别为合法用户和窃听用户传输信噪比，和分别表示NOMA用户功率分配因子，表示基站到IRS的复信道系数，和为对角矩阵，其对角元素分别由IRS到合法用户和窃听用户的复信道系数表示。

3. 实验

图 1 不同方案保密中断概率性能曲线

图 2 不同反射单元个数保密中断概率性能曲线

图 1和图 2给出NOMA系统保密中断性能变化曲线。可以看出，所提方案安全性能优于正交多址接入和传统中继方案；随着反射单元个数的增加，安全性能增强，且保持相同的分集阶数（P=1）。

4. 总结

针对NOMA系统在合法用户和窃听用户传播方向相同时采用传统物理层安全技术性能受限问题，提出部署IRS提升安全性能；针对实际IRS移相器分辨率有限，在源处获取信道状态信息开销过大问题，提出1-bit编码方案。研究结果表明，与现有传统中继辅助NOMA方案相比，所提方案可显著提升系统安全性能。该项研究表明低复杂度设计下的IRS具有提升安全性能的优势，可为NOMA物理层安全通信方案设计提供新的思路。

[1] Gong C, Yue X, Zhang Z, Wang X and Dai X. Intelligent Reflecting Surface Aided Secure Communications for NOMA Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2022, 71(3): 2761-2773.

–本文完–

本文由北京科技大学戴晓明老师提供，联盟和本公众号对转载、发布的内容、陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完善性提供任何明示或暗示的保证，仅供读者参考，联盟和本公众号将不承担任何责任。以上声明内容的最终解释权归联盟和本公众号所有，本声明将适用本公众号所有时间发布与转载文章，谢谢您的合作。