王榮，賈少波**，張迪，蘇昱瑋

（1.鄭州大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院天地一體智能網(wǎng)聯(lián)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.天地一體化信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086）

0 引言

隨著第五代無線通信網(wǎng)絡(luò)（5G）的不斷部署和商業(yè)化，高可靠低延遲通信、增強(qiáng)型移動寬帶、海量物聯(lián)網(wǎng)連接三大需求場景逐步實(shí)現(xiàn)。然而，一些創(chuàng)新應(yīng)用場景需要超高的數(shù)據(jù)傳輸速率、超高的可靠性和超低的延遲，如虛擬現(xiàn)實(shí)、全息通信、設(shè)備內(nèi)通信、高速無線數(shù)據(jù)中心、高速回程鏈路等，但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法滿足這些性能要求[1]，所以學(xué)術(shù)界和工業(yè)界便開始積極展望5G 以外的未來，如第六代移動通信系統(tǒng)（6G）。未來6G 網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將支持海量的用戶連接和指數(shù)級增長的無線服務(wù)，這使得網(wǎng)絡(luò)安全空前重要。但由于無線傳輸?shù)膹V播性質(zhì)，無線鏈路容易受到干擾攻擊和信息泄漏等安全威脅。近年來，物理層安全（PLS,Physical Layer Security）技術(shù)由于能夠避免復(fù)雜的密鑰交換協(xié)議而受到了廣泛的關(guān)注[2]。它利用無線信道的固有特性如噪聲、干擾和衰落，來降低惡意用戶的接收信號質(zhì)量，并通過信號設(shè)計(jì)和信號處理方法實(shí)現(xiàn)無密鑰安全傳輸。然而，當(dāng)合法用戶和竊聽者具有相關(guān)信道時(shí)，或者當(dāng)竊聽者比合法用戶更接近基站時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的安全速率仍然有限。為了解決這個問題，研究一種可控和可編程無線傳播環(huán)境的新技術(shù)勢在必行。

智能反射面（IRS,Intelligent Reflecting Surface）可以為6G 無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、可重構(gòu)的無線傳播環(huán)境，被認(rèn)為是解決上述問題極具前景的候選技術(shù)之一[3]。它是一種由大量低成本的無源反射元件組成的二維薄層人工電磁表面結(jié)構(gòu)，每個元件都能夠獨(dú)立地誘導(dǎo)入射信號的振幅和相位變化，從而協(xié)同實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的三維反射波束賦形。部署IRS 可以為機(jī)密信息的傳輸提供額外的通信鏈路，使其繞過竊聽者并到達(dá)合法接收機(jī)，從而顯著提高系統(tǒng)的整體安全性。因此，IRS 可以作為提高無線通信物理層安全性的關(guān)鍵使能技術(shù)。

近年來，大量研究將IRS 與物理層安全技術(shù)結(jié)合來構(gòu)建更加安全的無線通信環(huán)境。一般來說，物理層安全主要有信息論安全[4]和隱蔽通信[5]兩個研究方向。信息論安全以物理層的信道特征為基礎(chǔ)，利用信號處理技術(shù)增加合法鏈路與竊聽鏈路間的容量差，以實(shí)現(xiàn)合法用戶以任意小的錯誤概率進(jìn)行傳輸，同時(shí)竊聽者無法獲取任何有用信息；隱蔽通信旨在滿足合法接收端的隱蔽速率需求的同時(shí)，掩蓋合法通信鏈路的存在?；诖耍疚膹男畔⒗碚摪踩碗[蔽通信兩個方向?qū)RS 輔助PLS 的現(xiàn)有研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，并闡明了各研究熱點(diǎn)的模型特點(diǎn)、優(yōu)化目標(biāo)和關(guān)鍵方法等。

1 智能反射面簡介

1.1 IRS機(jī)理

IRS 是由人造電磁材料制成的二維超表面，由智能控制器進(jìn)行數(shù)字控制，具有獨(dú)特的重構(gòu)信道能力。具體來講，超表面是由大量元原子組成的平面陣列，其中每個反射元件都能夠操縱和改變?nèi)肷湫盘柕姆瓷湔穹拖辔晦D(zhuǎn)移（相移），從而增強(qiáng)有用信號或抑制干擾信號。因此，IRS 具有改變無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的巨大潛力，特別是當(dāng)它與大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）、太赫茲通信和人工智能等其他有前途的無線技術(shù)集成時(shí)，將聯(lián)合有源和無源組件使其以智能方式協(xié)同工作，從而為未來的研究開辟新的方向。

如圖1 所示，一個典型的IRS 體系結(jié)構(gòu)由三層面板和一個智能控制器組成。外層具有大量印刷在電介質(zhì)襯底上的反射元件；中間層是銅背板，可以抑制入射信號能量泄露，提高反射效率；最后一層是控制電路板，與智能控制器（如現(xiàn)場可編程門陣列）連接。智能控制器可以通過單獨(dú)的無線鏈路與基站協(xié)調(diào)進(jìn)行信道采集和數(shù)據(jù)傳輸，從而控制IRS 元件的反射系數(shù)，使入射信號以最佳的路徑到達(dá)合法接收器。

圖1 IRS架構(gòu)示意圖

IRS 外層的每個反射元件中都含有可調(diào)偏置電壓的電子器件（如正-本征-負(fù)二極管、場效應(yīng)晶體管或微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)等）和可變電阻負(fù)載。通過預(yù)先設(shè)計(jì)若干個數(shù)字化偏置電壓，IRS 可以決定反射單元對入射信號的相位調(diào)整值；通過改變阻值的大小，IRS 可以控制反射的幅度為[0～1]之間的某個值。需要注意的是，實(shí)際中IRS 的可調(diào)相位或幅度一般是精度有限的離散值，而非任意可調(diào)的連續(xù)值。

1.2 6G物理層安全中IRS的應(yīng)用前景

如圖2 所示，基站與用戶1 之間的視距路徑由于受到高層建筑的阻礙而經(jīng)歷深衰落。為了提升此類用戶的通信質(zhì)量，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)通常會加大發(fā)送端的傳輸功率或者使用有源中繼將信號再生和重發(fā)，這無疑會增大功耗。而IRS 只使用無源組件將信號反射來重構(gòu)視距鏈路，幫助信號繞過障礙物，它不需要任何發(fā)射射頻鏈，也不使用任何主動發(fā)射模塊（如功率放大器），因此不會消耗額外的能量，降低了能源成本。此外，IRS 支持全雙工和全波段傳輸，無任何天線噪聲放大和自干擾問題，與傳統(tǒng)有源中繼相比具有極大的競爭優(yōu)勢。

圖2 IRS輔助無線通信的場景

對于用戶2 來說，它與竊聽者處于同一方向，且后者具有更強(qiáng)的信道，所以傳統(tǒng)的波束賦形、定向調(diào)制、人工噪聲（AN,Artificial Noise）等PLS 技術(shù)都不能完全保證通信的安全性。而IRS 能夠智能地調(diào)節(jié)反射單元的幅值和相移，使反射信號與直射信號在合法用戶端正相加強(qiáng)、在竊聽端反相消除，因此部署IRS 對實(shí)現(xiàn)用戶2的安全通信有極大的幫助。

此外，IRS 通常成本低、重量輕、形狀多樣、安裝靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于在建筑物、車輛或室內(nèi)墻壁等表面上部署和拆除，并且它與現(xiàn)有常規(guī)無線電技術(shù)之間有很好的兼容性，無需對現(xiàn)有設(shè)備的硬件和軟件進(jìn)行任何更改便可以將IRS 集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩或Wi-Fi）中，因此IRS 可以密集部署以滿足各種不同的應(yīng)用場景。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，IRS 能夠以較低的成本提供額外的高質(zhì)量信道鏈路，克服無線通信系統(tǒng)中不利的傳播條件，所以IRS 輔助無線通信在6G 時(shí)代有廣闊的應(yīng)用前景。

2 IRS輔助物理層安全

2.1 IRS輔助信息論安全

利用IRS 來提高物理層的安全性是非常有潛力的，但由于IRS 的波形操縱依賴于信道狀態(tài)信息（CSI,Channel State Information），系統(tǒng)性能在很大程度上取決于竊聽者處CSI 的可用性和準(zhǔn)確性。因此，本文將根據(jù)系統(tǒng)中竊聽者處CSI 的已知程度對有關(guān)IRS 輔助PLS的研究文獻(xiàn)進(jìn)行分類概述，并簡要總結(jié)如表1 所示。

表1 IRS輔助信息論安全概述

（1）CSI 完全已知：在此情況下，相關(guān)的研究通常集中在如何聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送端的波束賦形向量和IRS 的相移因子，從而最大化系統(tǒng)的安全速率（SR,Secrecy Rate）。然而，由于原始優(yōu)化問題是高度非凸的，因此需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景采取不同的優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[6]考慮一個IRS 輔助的多輸入單輸出（MISO,Multiple-Input Single-Output）單竊聽者系統(tǒng)，并基于交替優(yōu)化（AO,Alternating Optimization）算法最大化系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)SR。針對同一系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)[7]考慮了一種更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場景，即合法接收者和竊聽者在空間上高度相關(guān)，且后者具有更好的信道條件的情況。在非IRS 輔助PLS 的相關(guān)研究中，這種情況下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的SR 會高度受限甚至為零。因此，作者基于IRS 輔助可以將反射信號與直射信號在合法用戶處正相疊加、在竊聽者處反相消除，從而最大化用戶的SR。仿真結(jié)果表明，與不使用IRS 的情況相比，所提方案能顯著提高系統(tǒng)的SR。在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步研究了IRS 輔助的多用戶多竊聽者M(jìn)ISO 系統(tǒng)中的最小SR 最大化問題，并且同時(shí)考慮了連續(xù)和離散的IRS 相移的約束情況。文獻(xiàn)[9]在小規(guī)模和大規(guī)模IRS 兩種情況下，分別提出了基于塊坐標(biāo)下降（BCD,Block Coordinate Descent）和最小化最大化（MM,Minorization-Maximization）的優(yōu)化算法對原始優(yōu)化問題進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明，MM 算法適用于大規(guī)模IRS 輔助的系統(tǒng)，BCD 算法適用于小規(guī)模IRS 輔助的系統(tǒng)。對于更實(shí)際的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10]利用MM 算法和拉格朗日乘子法最大化系統(tǒng)的SR。

分配額外功率發(fā)送AN 去迷惑竊聽者，是提升無線竊聽系統(tǒng)PLS 的一種有效手段。文獻(xiàn)[11] 在多個單天線竊聽者存在的MISO 竊聽系統(tǒng)中，提出了一個新的發(fā)送端波束賦形向量、AN 協(xié)方差矩陣以及IRS 相移因子的聯(lián)合優(yōu)化問題，并基于AO 算法最大化系統(tǒng)的SR，證明了借助于AN 依然能進(jìn)一步提升IRS 輔助的無線竊聽系統(tǒng)的安全性能。文獻(xiàn)[12] 將系統(tǒng)擴(kuò)展到了多用戶的場景，研究了每對用戶與竊聽者的加權(quán)和SR 最大化問題，它提出的交替方向乘子法、元素塊坐標(biāo)下降法能同時(shí)適用于連續(xù)和離散的IRS 相移約束。除了SR 外，發(fā)射功率也是常見的優(yōu)化目標(biāo)，文獻(xiàn)[13] 介紹了在合法用戶和多個竊聽用戶的信噪比約束下，利用二階錐規(guī)劃算法使發(fā)射功率最小化的問題，該算法的復(fù)雜性低于半定規(guī)劃。結(jié)果表明，IRS 輔助的系統(tǒng)能以更低的功率實(shí)現(xiàn)安全傳輸。

無人機(jī)（UAV,Unmanned Aerial Vehicle）依靠其高機(jī)動性可以為IRS 的部署提供更多自由度，在文獻(xiàn)[14]至[16]中IRS 裝備在UAV 上作為無源中繼輔助通信。文獻(xiàn)[14]研究了一種IRS 輔助的MISO 通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最大SR 為目標(biāo)對UAV 位置和IRS 相移因子進(jìn)行了迭代優(yōu)化。文獻(xiàn)[15]考慮了IRS 輔助的多用戶上行鏈路無線通信系統(tǒng)，利用逐次凸逼近（SCA,Successive Convex Approximation）方法聯(lián)合優(yōu)化了UAV 軌跡、IRS 相移因子、用戶關(guān)聯(lián)以及發(fā)射功率，使得系統(tǒng)的安全能量效率（最小SR 與功耗之比）最大化。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的無IRS 方案相比，該方案可以將系統(tǒng)的安全能量效率提高38%。文獻(xiàn)[16]考慮了IRS輔助的多竊聽者M(jìn)ISO 系統(tǒng)，并且將安全中斷概率（SOP,Secrecy Outage Probability）作為性能評價(jià)指標(biāo)。首先使用隨機(jī)幾何理論對竊聽者的分布進(jìn)行建模，然后分別在合謀竊聽和獨(dú)立竊聽兩種情況下推導(dǎo)了合法接收者與竊聽者的信噪比統(tǒng)計(jì)特征的新表達(dá)式，最后通過對比數(shù)值分析結(jié)果和蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了推導(dǎo)結(jié)果的正確性，并揭示了IRS反射單元數(shù)量和UAV 位置對SOP 性能的影響。此外，將IRS 部署在建筑物表面，UAV 作為空中移動基站與地面用戶進(jìn)行通信也是常用的方案。文獻(xiàn)[17]基于MISO 系統(tǒng)以SR 最大化為目標(biāo)，利用分式規(guī)劃和SCA 算法對UAV 位置、發(fā)射波束賦形向量及IRS 的相移因子進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化。然而，文獻(xiàn)[17]只研究了靜態(tài)UAV 的布局，并沒有考慮其三維機(jī)動性。文獻(xiàn)[18]基于同樣的系統(tǒng)模型和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)一步研究了對UAV 的飛行軌跡的優(yōu)化。文獻(xiàn)[19]針對單輸入單輸出（SISO,Single-Input Single-Output）模型提出一種基于SCA 的迭代算法，最大限度地提高了系統(tǒng)的SR。文獻(xiàn)[20]在UAV 和IRS 輔助的毫米波無線系統(tǒng)中，進(jìn)一步研究了對IRS 位置的優(yōu)化，其中UAV 利用AN 來對抗竊聽者。在UAV 的最大發(fā)射功率、最小高度和合法接收機(jī)最小速率約束條件下，聯(lián)合優(yōu)化了UAV、IRS 的位置和波束賦形向量。上述所有工作都考慮了單向通信的物理層安全性，文獻(xiàn)[21]提出將IRS 用于輔助雙向無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由配備中央處理器的中央節(jié)點(diǎn)控制，通過迭代方式調(diào)整兩個受信任用戶的發(fā)射功率和IRS 的相移因子來最大化系統(tǒng)SR。

（2）CSI 部分已知：在這種情況下，通常會選取適當(dāng)?shù)腃SI 誤差模型來輔助分析，如邊界誤差模型、統(tǒng)計(jì)誤差模型等。

1）邊界誤差模型：文獻(xiàn)[22]至[24]將IRS 與竊聽者之間的信道建模為邊界CSI 誤差模型?；贗RS 輔助的多用戶MISO 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[22]在竊聽者服務(wù)質(zhì)量（QoS,Quality of Service）的限制條件下，利用SDR 和SCA 最大化多個合法用戶的最差SR 總和，揭示了分布式IRSs 部署相對于單一IRS 更有利于系統(tǒng)安全性能的提升。文獻(xiàn)[23]首次考慮了帶有協(xié)作干擾機(jī)（CJ,Cooperative Jammer）的IRS 輔助的多竊聽者M(jìn)ISO 網(wǎng)絡(luò)，并提出了一種基于S-procedure 的優(yōu)化算法來解決不完全CSI 情況下的能量效率最大化問題?；谖墨I(xiàn)[23]中的結(jié)果，文獻(xiàn)[24]在不知道CJ 的發(fā)射波束賦形向量的情況下，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)BS 的發(fā)射波束賦形向量和IRS 的反射波束賦形向量來最大化系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)SR。

2）統(tǒng)計(jì)誤差模型：文獻(xiàn)[25] 在多竊聽者M(jìn)ISO 系統(tǒng)中通過傳AN 來提高安全性能。在統(tǒng)計(jì)級聯(lián)CSI 誤差模型下，利用AO、懲罰和SDR 的算法，聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射機(jī)波束賦形向量、AN 協(xié)方差矩陣和IRS 相移因子，使發(fā)射功率最小化。它是第一個在IRS 輔助通信中考慮BSIRS-竊聽者的不完全級聯(lián)信道的工作，與之前考慮不完全I(xiàn)RS-竊聽者信道的文獻(xiàn)相比更實(shí)用。文獻(xiàn)[26] 考慮了一種IRS 輔助的MIMO 無線安全通信系統(tǒng)，其中多天線BS 利用統(tǒng)計(jì)CSI 與合法的多天線用戶進(jìn)行通信。為了使遍歷SR 最大化，作者提出了一種泰勒級數(shù)展開法和投影梯度上升法來聯(lián)合優(yōu)化BS 的發(fā)射波賦形向量及IRS相移因子。文獻(xiàn)[27] 采用了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來增強(qiáng)毫米波通信的魯棒安全數(shù)據(jù)傳輸。為了最大限度地提高合法用戶總的SR，基于深度確定性策略梯度（DDPG,Deep Deterministic Policy Gradient）框架提出了一種新的、有效的雙DDPG 深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，以解決由CSI 的過時(shí)而導(dǎo)致的時(shí)間問題及CSI 與UAV 飛行軌跡的耦合問題。

3）其他誤差模型：文獻(xiàn)[28]在IRS 輔助多用戶MISO系統(tǒng)中，將竊聽者的CSI 建模為基于矩的隨機(jī)誤差模型，即BS 不知道誤差的準(zhǔn)確分布，只知道其一階和二階統(tǒng)計(jì)量。通過半定松弛（SDR,Semidefinite Relaxation）和懲罰凸凹過程算法交替優(yōu)化了BS 的波束賦形向量及IRS 的相位轉(zhuǎn)移因子，從而最大化最差合法用戶的信噪比。文獻(xiàn)[29]在多竊聽者M(jìn)ISO 系統(tǒng)中，首次嘗試將IRS 與后向散射通信相結(jié)合。具體而言，IRS 有策略地將接收到的保密信號調(diào)制為干擾信號，從而降低竊聽者的接收性能?；谠撃Ｐ?，作者在完全和不完全CSI（高斯CSI 誤差模型）的情況下優(yōu)化IRS 的反射系數(shù)，使竊聽信息量最小化，同時(shí)保證合法接收者處通信的可靠性。仿真結(jié)果表明，該方案通常優(yōu)于傳統(tǒng)的IRS 輔助波束賦形和協(xié)同干擾方案。文獻(xiàn)[30]開發(fā)了一種UAV-IRS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用時(shí)分多址協(xié)議分別在兩個時(shí)隙進(jìn)行上行和下行通信。在竊聽信道的CSI 不完全已知的情況下，基于確定性CSI 誤差模型提出了一種基于AO、SCA 和S-procedure 的算法來優(yōu)化UAV 軌跡、IRS 相移因子以及發(fā)射功率。

（3）CSI 完全未知：當(dāng)竊聽端的CSI 完全未知時(shí)，無法將SR 作為系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。此時(shí)通常會選擇SOP 作為系統(tǒng)安全性能的評估指標(biāo)，通過構(gòu)建系統(tǒng)模型的統(tǒng)計(jì)特性，進(jìn)而對系統(tǒng)的安全中斷性能進(jìn)行推導(dǎo)和分析[31-34]。另一方面，會選擇在滿足目標(biāo)用戶QoS 的情況下，最大化干擾功率來降低竊聽者的通信質(zhì)量[35-37]。文獻(xiàn)[31]研究了單個竊聽者存在情況下的IRS 輔助SISO 系統(tǒng)，推導(dǎo)了SOP 的解析表達(dá)式，并通過漸進(jìn)性分析揭示了IRS 的反射單元數(shù)量和平均信噪比對系統(tǒng)安全中斷性能的影響。針對同一模型，文獻(xiàn)[32]進(jìn)一步考慮了合謀竊聽者和離散相移的情況。在不考慮直傳鏈路的情況下，借助Fox’s H 轉(zhuǎn)換推導(dǎo)了SOP 和平均安全速率的精確解析表達(dá)式，并通過漸進(jìn)性分析量化了由于相位分辨率導(dǎo)致的安全性能的損失。然而，文獻(xiàn)[31]和[32]都采用了中心極限定理（CLT,Central Limit Theorem）對級聯(lián)信道幅度的乘積的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了近似，當(dāng)反射單元數(shù)目不夠多時(shí)，其理論推導(dǎo)結(jié)果就不再精確。文獻(xiàn)[33]分析了IRS輔助點(diǎn)對點(diǎn)車輛通信系統(tǒng)的保密中斷性能。具體來講，考慮了兩種車輛通信場景，即IRS 充當(dāng)中繼的車輛對車輛通信場景和IRS 充當(dāng)接收器的車輛對基礎(chǔ)設(shè)施場景?；诩壜?lián)信道的幅度乘積服從Gamma 分布的假設(shè)，推導(dǎo)了在這兩種場景下系統(tǒng)SOP 的解析表達(dá)式，避免了采用CLT，并通過仿真驗(yàn)證了在IRS 反射單元數(shù)量較小時(shí)所得的結(jié)果依然準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[34]研究了在多天線竊聽者存在的情況下的下行MIMO 系統(tǒng)。針對隨機(jī)位置用戶，首先基于隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)出了信干噪比的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)的精確表達(dá)式，隨后利用漸進(jìn)分析得出了系統(tǒng)的SOP、可實(shí)現(xiàn)非零安全容量的概率和平均安全容量。文獻(xiàn)[35]提出了一種聯(lián)合波束賦形和干擾的方案，以改善IRS 輔助的MISO 系統(tǒng)的PLS。具體而言，在滿足合法接收者QoS 的前提下，以最大化剩余功率來產(chǎn)生AN，從而盡可能干擾竊聽者。然而此優(yōu)化問題顯然是非凸的，因此作者分別提出了基于斜流形（OM,Oblique Manifold）和MM 的高效優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，OM 算法的性能優(yōu)于MM 算法。文獻(xiàn)[36]把文獻(xiàn)[35]的模型推廣到了下墊式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，引入了額外的對主用戶的最大干擾功率限制。仿真結(jié)果表明，在竊聽者的CSI 不可用的情況下，所提基于IRS 輔助的安全傳輸方案在大多數(shù)情況下可以實(shí)現(xiàn)正保密率。文獻(xiàn)[37]基于IRS 輔助的非正交多址（NOMA,Non-Orthogonal Multiple Access）網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于用戶間干擾技術(shù)的安全傳輸方案，目標(biāo)是通過最大化較弱用戶的發(fā)射功率和修改串行干擾消除順序來降低竊聽者的信干噪比，從而惡化竊聽端信號的接收質(zhì)量。

2.2 IRS輔助隱蔽通信

隱蔽通信又叫做低檢測概率通信，旨在使得非法偵測者（Willie）以足夠小的概率檢測到隱蔽傳輸過程的前提下，實(shí)現(xiàn)合法收發(fā)方之間的無線傳輸。為防止Willie 發(fā)現(xiàn)機(jī)密信息的傳輸過程，隱蔽通信技術(shù)通過向Willie 引入各種不確定性因素，如信道不確定性、背景噪聲功率不確定性以及隨機(jī)化的人工噪聲等，使Willie 無法準(zhǔn)確檢測到信息傳輸情況，以達(dá)到隱蔽傳輸?shù)哪康?。IRS 具有可重構(gòu)無線傳播環(huán)境的特性，可以智能地控制其反射單元來重構(gòu)可能泄露機(jī)密信息的不良傳播條件。因此，本文將基于不同的實(shí)現(xiàn)隱蔽通信的技術(shù)手段對有關(guān)IRS 輔助隱蔽通信的研究文獻(xiàn)進(jìn)行分類概述，并簡要總結(jié)如表2 所示。

表2 IRS輔助隱蔽通信概述

在實(shí)際的應(yīng)用場景中，電磁環(huán)境相對復(fù)雜，不斷變化的無線傳播環(huán)境使得Willie 會受到來自多方面的電磁干擾，因此基于Willie 對自身的噪聲功率不確定性是一種合理且常見的假設(shè)。在此情況下，相關(guān)的研究通常集中在如何聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射端的功率（或波束賦形向量）和IRS 的相移因子，從而最大化系統(tǒng)的隱蔽速率。文獻(xiàn)[38]首次將IRS 輔助下的隱蔽通信技術(shù)進(jìn)行概述，并表明了在SISO 系統(tǒng)中IRS 可以提高隱蔽通信性能。然后文獻(xiàn)[39]將其擴(kuò)展到一個更一般的系統(tǒng)設(shè)置，即發(fā)射機(jī)處有單天線和多天線，并研究了無限信道使用假設(shè)下的IRS 輔助隱蔽通信。在文獻(xiàn)[40]中考慮了延遲約束的IRS 輔助SISO 隱蔽通信，作者表明有限塊長度的合并和隨機(jī)發(fā)射功率的使用可以有效地引起Willie 的困惑。文獻(xiàn)[41]進(jìn)一步研究了多天線竊聽者存在下的MIMO 隱蔽通信系統(tǒng)，在Willie 最小錯誤檢測概率受限下，以隱蔽速率最大化為目標(biāo)，提出了一個發(fā)射波束賦形向量和IRS 的相移因子聯(lián)合優(yōu)化的問題。但由于原始問題是非凸的，因此作者基于AO 算法把原始問題轉(zhuǎn)化成了一系列凸的子優(yōu)化問題，并獲得了原始問題的最優(yōu)解。文獻(xiàn)[42]重點(diǎn)考慮了Willie 不同的CSI 可用性對隱蔽性能的影響。對于Willie 的CSI 完全已知的情況，利用SDR 實(shí)現(xiàn)了完全隱蔽約束下的隱蔽波束賦形；對于Willie 的CSI 不完全已知的情況，導(dǎo)出了Willie的最優(yōu)決策閾值，并分析了虛警概率和漏檢概率，然后利用SDR、S-lemma、交替迭代的方法研究了魯棒波束賦形向量和IRS 相移因子的聯(lián)合優(yōu)化。但其并沒有考慮IRS 反射幅度的變化給系統(tǒng)帶來的影響，因此文獻(xiàn)[43]在SISO 系統(tǒng)中利用統(tǒng)計(jì)CSI 研究了對IRS 幅值的優(yōu)化。作者首先確定了IRS的最優(yōu)相移，然后基于一維搜索方法來確定最優(yōu)幅值，結(jié)果表明在相位偏移的基礎(chǔ)上優(yōu)化IRS 的振幅能夠顯著提高系統(tǒng)隱蔽性。需要注意的是，上述對IRS 輔助隱蔽通信的研究都忽略了對傳輸概率的優(yōu)化。文獻(xiàn)[44]基于SISO 模型，在發(fā)射機(jī)和IRS 到Willie 的瞬時(shí)CSI 未知的情況下，探討了傳輸概率的優(yōu)化問題。作者考慮了Willie 能夠找到最優(yōu)檢測閾值的情況，推導(dǎo)出了錯誤檢測概率的精確表達(dá)式，并證明了在合法接收機(jī)處的可實(shí)現(xiàn)速率是傳輸概率的單峰函數(shù)。

發(fā)送端在Willie 處產(chǎn)生隨機(jī)化AN，使其不確定是信號或者AN 導(dǎo)致的接收功率的變化，以達(dá)到隱蔽機(jī)密信息傳輸過程的目的。在文獻(xiàn)[45]中，合法的全雙工接收機(jī)通過產(chǎn)生功率變化的干擾信號來迷惑Willie。在Willie 處的成功檢測概率和合法接收機(jī)處的通信中斷概率約束下，通過懲罰對偶分解和BCD 算法對發(fā)射機(jī)的主動波束賦形向量及IRS 的被動波束賦形向量進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，使隱蔽速率最大化。此外，還證明了所提出的迭代算法能夠適應(yīng)多天線Willie 的情況。文獻(xiàn)[46]提出了一種基于太赫茲波段的IRS 輔助UAV 通信系統(tǒng)。其中，裝備IRS 的UAV 用于可靠的數(shù)據(jù)傳輸，另一個空中協(xié)作干擾機(jī)用于產(chǎn)生功率變化的AN 以對抗非法用戶的監(jiān)聽。為了在滿足隱蔽性的約束條件下提高隱蔽吞吐量，作者提出了一個基于最小平均能量效率的優(yōu)化問題，并通過塊逐次凸逼近方法迭代求解了接入點(diǎn)的功率分配、IRS 相移因子以及UAVs 的軌跡和速度規(guī)劃。數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了所提方案在最小平均能量效率性能方面要明顯優(yōu)于其他現(xiàn)有基準(zhǔn)方案。

除了固有噪聲功率的不確定性和隨機(jī)干擾功率等額外的不確定性源，IRS 相移的不確定性也可以用來故意地混淆Willie，降低其信號檢測性能。文獻(xiàn)[47]在NOMA 的系統(tǒng)模型下，提出將IRS 相移的不確定性和公共用戶的非正交傳輸信號作為掩蔽手段來隱藏信號傳輸，沒有采用額外的不確定性源。首先導(dǎo)出了Willie 的最小平均錯誤檢測概率，然后在滿足Willie 的最小隱蔽性要求和公共用戶的QoS 要求的前提下，通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率和IRS 反射波束賦形向量來最大化隱蔽用戶的可實(shí)現(xiàn)速率。

2.3 未來展望

盡管到目前為止對于IRS 輔助物理層安全的研究已經(jīng)逐漸成熟，但是仍存在一些更深入的難題，如IRS 的部署、信道估計(jì)以及多個IRS 的協(xié)作等，因此需要研究新理論、新技術(shù)來充分發(fā)揮IRS 技術(shù)的潛力，為下一代安全通信提供更多的可能性。

（1）IRS 的部署：在具有大量合法用戶和竊聽者的大規(guī)模保密通信網(wǎng)絡(luò)中，IRS 的部署策略會對系統(tǒng)中所有反射信道的構(gòu)建產(chǎn)生重大影響，因此可能會限制其基本性能。另一方面，從實(shí)現(xiàn)的角度來看，IRS 的部署還需要考慮部署成本、用戶需求、空間約束、傳播環(huán)境等各種實(shí)際因素，所以IRS 的部署策略是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全吞吐量最大化的關(guān)鍵，值得進(jìn)一步研究。

（2）IRS 的信道估計(jì)：由于IRS 需根據(jù)CSI 來調(diào)控反射波束，因此系統(tǒng)性能在很大程度上取決于CSI 的可用性和準(zhǔn)確性。然而，因?yàn)镮RS 由大量元素構(gòu)成，整個通信系統(tǒng)需要估計(jì)大量的信道系數(shù)，并且IRS 的無源特性會導(dǎo)致其發(fā)射、接收和處理射頻信號的能力非常有限，所以傳統(tǒng)的導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)的方法難以奏效。在這種情況下，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新興技術(shù)能夠在沒有明確反饋的情況下估計(jì)信道，值得深入探索。

（3）多個IRS 的協(xié)作：作為反射元件，IRS 能耗低、成本低，但單個IRS 的有效覆蓋范圍較小，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要大量部署，以保證其對系統(tǒng)性能的提升。因此，多個IRS 之間如何協(xié)同輔助安全傳輸有望成為未來研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)束語

新興的IRS 技術(shù)為設(shè)計(jì)和開發(fā)未來的無線通信安全提供了廣泛的機(jī)會。本文首先介紹IRS 的基本概念、工作機(jī)理以及在6G 物理層安全中的應(yīng)用前景，然后重點(diǎn)描述了IRS 輔助PLS 的研究現(xiàn)狀，并展示了多種場景、系統(tǒng)模型、優(yōu)化目標(biāo)和解決方法。事實(shí)上，該領(lǐng)域的大多數(shù)工作都提出了一個優(yōu)化問題，通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射機(jī)處的波束賦形向量和IRS的反射系數(shù)來最大化合法用戶的SR。最后給出了IRS 的未來研究方向，如IRS 的部署、信道估計(jì)以及多個IRS 的協(xié)作。