文 献 综 述
- 问题定义
随着物联网（Internet of Things）技术的出现，无线连接日渐融入人们日常生活的方方面面。然而，科技发展不可避免带来潜在风险。实际上，无线连接的广泛应用给人们的信息安全带来了威胁。传统的加密解决方案无法单独应对这种安全威胁，尤其是在异构和分散的未来无线网络中。通常，物理层安全性（Physical Layer Security）通过利用衰落传播信道来帮助弥合这一差距。此外，在无线网络中采用可重配置智能表面（Intelligent Reflecting Surface）可通过将通道纳入设计环路来提高PLS技术的效率。本次毕业设计课题的主要任务是设计一个IRS辅助的单小区无线系统，通过部署一个IRS来协助多天线接入点（Access Point）进行与多个单天线用户之间的通信。通过联合优化AP处有源天线阵列的发射波束成形和IRS处无源移相器的反射波束成形来共同优化AP处的总发射功率。
本文对未来无线通信的IRS在多输入多输出（Multi-Input Multi-Output）辅助PLS进行了文献综述。首先介绍RIS的基本概念及其在MIMO系统中进行安全传输的模型。然后，我们专注于RIS辅助PLS应用程序的审查和分类，展示了多种方案下对于原基础模型的优化。这些方案通过共同优化发射机处的波束形成器和RIS的系数来最大化合法用户的保密率（SR）或保密容量（SC），展示了以最佳/次最佳方式采用该解决方案的方法。通过比较现有方案的优劣，选择最为合适的方案作为毕业设计的基础模型。
- 研究现状
智能反射表面（IRS）在无线传输通信系统具有多种用途，因而受到了广泛的关注[1]。IRS是由低成本无源反射元件组成的均匀平面阵列。通过控制IRS中的每个元件，可以智能地调整传入电磁波的幅度和/或相位，从而在接收器处灵敏地控制波的方向和强度。此功能可用于叠加不同的信号实现信号的相长或相消以改变信号在不同接收器处的整体强度。因此，IRS可用于改善通信系统的信噪比（Signal-Noise Ratio），数据速率，安全性及覆盖概率。有学者研究了在服务质量（Quality of Service）约束下，IRS辅助的MISO系统中最小化发射功率的问题[2]，提出可通过形成主动和被动波束来实现相应数量的反射元件的平方功率增益。另外，IRS辅助系统为传统的多天线放大转发中继系统提供了更高功率效率的替代方案[3]。而且，实时可调IRS的使用可以减轻或消除由移动接收器/发射器的移动引起的多径效应和多普勒效应[4]。
鉴于IRS的诸多优点，很多学者研究了IRS辅助的通信网络下容量和速率改进分析[5][6]，功率效率优化[3][7]，通信可靠性[8][9]，物理层安全性（PLS）等问题。PLS是除了加密算法之外增强未来无线通信系统的安全性的有效解决方案，利用无线信道的动态特性，例如信道随机性，干扰，噪声，衰落，色散，分集，可分离性，互易性等，以确保安全的通信[10][11]。由于IRS具有实现智能可控的无线传播的能力，在PLS技术无效的情况下，IRS仍可提高PLS技术性能。当合法节点和非法节点在相同方向上时，在接近合法/窃听用户的地方使用IRS技术以及波束成形设计来调整合法/窃听用户的信号强度以增强系统安全性。理想情况下，IRS可以看作是反射元件（零距元件）的连续表面，每个元件具有连续的感应相移和反射系数。可控反射元件可由机械驱动，特殊材料（例如石墨烯）和电子设备（例如正本征（PIN）二极管）来实现[12]，具有响应切换时间，频率和到达角（Angle-of-Arrival）相关的响应以及元件间的耦合效应。感应的相移与反射系数非线性耦合[13]，因此，优化IRS波束形成/反射应同时涉及相移和反射系数。
传统通信网络则在基站（BS）端的形成有源波束，而IRS辅助的通信系统在信道的中点辅助无源波束成形，使得通信网络可以通过多种指标来增强系统性能，尤其是在对系统将信号束准确定向到所需路径（或排除路径）有较高要求的PLS系统。此外，借助IRS，可以实现根据网络设计人员的需求定制覆盖区域，且利用无源智能反射，反射信号处的噪声不会像传统继电器那样被放大。
然而，采用IRS会增加系统的复杂性。在PLS应用中，通常对主动波束成形进行优化以支持系统的保密性，而在环路中存在IRS的情况下，需要对被动波束成形进行联合优化。被动波束成形在很大程度上取决于已获的信道状态信息（Channel State Information）的质量，而CSI受IRS的大量反射元件及其被动性质的限制，给系统设计带来新的难题[12]。在IRS辅助的通信系统中，时分双工（Time-Division Duplex）信道中用于简化了信道估计过程的信道互易性假设不再有效[12]。在远场传播假设下，通过IRS的通信通道会遭受双路径损耗（又称乘积距离路径损耗模型），需要进行链路预算或通过增加反射次数来进行损耗补偿。
- 本课题的意义
开放式无线介质中访问接口的普遍性和共享频谱的利用使机密信息（例如，财务帐户，身份认证和商业机密）的数量激增使拦截敏感和私人数据类的恶意攻击事件增多[14]。因此，确保无线数据的可靠性和安全性仍然是发展下一代网络的最重要任务之一，是发展无线通信系统的最关心的问题。
随着无线系统的飞速发展，潜在安全风险日趋显著，使得保护用户隐私富于挑战性。即使传输的信息被加密并且潜在的窃听通道在物理上受到限制，原始数据本身（例如传输器的位置和传输模式）也可能暴露机密信息。目前作为解决方案的秘密通信需要消耗额外的带宽和能量等，给系统部署带来新的难题[16]。智能反射面（IRS）具有低复杂度，智能和绿色节能特性，因此是发展5G及6G无线通信的重要技术。通过利用智能控制的超表面来重塑可能泄露秘密消息的不良传播条件可增强通信的隐蔽性。尤其通过IRS和隐蔽通信系统的联合配置可以实现隐蔽性能的显着改善[17]。
IRS技术将为设计和开发未来的无线安全通信创造各种可能性，而不仅限于隐蔽技术。关于IRS增强秘密通信的未来研究主题范围很广，一些未解决的问题和研究方向如下：
