Covert Communication in Intelligent Reflecting
Surface-Assisted NOMA Systems: Design,
Analysis, and Optimization前半部分阅读笔记
随着人们对高速率应用和无处不在的无线业务的需求不断增加，各种先进的无线技术，包括MIMO和毫米波技术被提出来提高网络性能[2]。 然而，由于使用大量耗电有源组件（即射频链），其好处通常是以高能耗和/或硬件成本以及复杂性为代价的。 在此背景下，智能反射面(IRS)，又称可重构智能表面，作为实现频谱和能量高效无线通信的前沿技术被提出[3]-[5]。 具体来说，IRS是由大量近被动的、可重构的反射元件组成的电磁(EM)材料的二维表面（即变表面）。 每个反射元件可由智能控制器控制，以调节输入信号的EM特性（例如，相位和幅度）。 通过巧妙地控制IRS的所有反射元件，可以建立期望的无线电传播环境，以增强数据速率或接收可靠性[6]-[9]，减少能耗[10]-[13]，扩展覆盖[14]，并实现大规模连接[15]-[18]。
另一方面，由于大量机密和敏感数据（如财务细节、电子健康记录和身份认证）通过开放的无线介质传输，保密和隐私保障已经成为发展第六代(6G)无线通信的关键任务。 这就要求物理层的安全性，利用噪声和衰落信道的内在随机性来防止信息泄漏[19]-[21]。 由于其能够以经济有效的方式重新配置无线信道，最近IRS被集成到物理层安全以保护信息传输。 具体来说，通过适当的相移，可以在合法用户处相干地将IRS反射信号与非反射信号相加，而在窃听者处破坏性地相加，从而显著提高了保密率。 在假定窃听者知道完全信道状态信息(CSI)的情况下，文[22]和[23]分别研究了IRS辅助的多输入单输出(MISO)传输的保密速率最大化和发射功率最小化问题。 之后，注意力转移到IRS辅助的MIMO场景，以最大化保密率[24]。 文献[25]、[26]表明，在有窃听者CSI和无窃听者CSI的情况下，在发射波束形成和IRS反射波束形成中引入人工噪声有助于提高保密率。 文献[27]提出了一种新的通过IRS的信息干扰方案，以保证双向通信的保密性。
然而，在某些情况下，使用现有的物理层安全技术来保护通信内容是远远不够的，通信本身经常需要隐藏，以避免被[28]检测到。例如，在战术智能网络中，军事行动希望保护自己不受对手伤害。或者，在金融机构网络中，一个实体希望保护自己的秘密活动不受威权政府的监控。因此，安全通信系统也应该提供隐身或低探测概率，而对这种安全关注的满足激发了隐蔽通信的最新进展。从理论上讲，隐蔽通信的目的是探索隐藏可从合法发射机秘密传输到合法接收机的无线信息量的基本极限，而被看守器[28]，[29]探测到的概率可以忽略不计。[30]的工作指出，当典狱长不确切知道其接收的噪声功率时，可以实现正隐蔽率。对于看守人对总接收干扰不确定的情况，[31]和[32]研究了随机无线网络的最大隐蔽吞吐量和隐蔽中断概率。在[33]中，研究了具有延迟约束的隐蔽通信，结果表明，有限块长度的引入和随机传输功率的使用可以有效地给典狱长带来混淆。在[34]中，提出了常规和截断信道的逆变功率控制策略，以防止守望者知道合法发射机的存在，从而保证其隐蔽性。此外，在[35]-[37]中发现，利用贪婪中继[35]、蜂窝用户[36]和非正交多址(NOMA)弱用户[37]的非隐蔽传输，将隐蔽信号嵌入到叠加信号中，可以实现正隐蔽率的隐蔽通信。
值得注意的是，[30]-[37]中回顾的隐蔽策略由于资源消耗问题和严格的隐蔽约束，可能会在一定程度上降低在合法用户处的通信性能[38]。 为了解决这一难题，最近的几项研究试图利用IRS来促进隐蔽无线通信，通过同时提高合法用户的接收信号质量和削弱监狱长的信号强度。 在[38]中，作者通过考虑监视器处的噪声不确定性作为覆盖介质，证明了使用IRS比不使用IRS可以获得更高的隐蔽率。 文[38]的工作随后扩展到在[39]中合法发射机上同时具有单天线和多天线的更一般的系统设置，在这里评估了监狱器不同的CSI可用性对隐蔽速率性能的影响。 最近，作者在[40]中研究了在有限信道使用次数的假设下，发射功率和IRS反射系数的联合设计，以使隐蔽接收机的接收信号功率最大化。
在许多关于使用公共动作作为隐蔽动作的覆盖介质的现有著作（例如见[35]-[37])中，假定在合法发射机处应用不同的码本[35]或随机发射功率[36]、[37]。 然而，我们注意到：(i)在合法发射机上假设不同的码本对于所有可能的情况可能是不可行的； 和(ii)如[33]所示，对于随机发射功率，发射功率电平的数目和用于传输速率的码本的数目都应该接近无穷大，这在实际的无线网络中往往难以实现。
初步研究（见，例如，[38]-[40])，建议将IRS用于秘密通信，但需要额外的不确定性来源，例如，监视器的噪声不确定性[38]、[39]或有限块长度要求[40]（仅限于某些特定的应用场景）。 事实上，它们都忽略了在考虑的IRS辅助隐蔽通信系统中固有的一个有用的不确定性来源。 具体来说，IRS的相移可以被设计成引起故意的混淆，降低监视器的信号检测性能，同时提高合法接收机的信号接收质量，以利于通信的隐蔽性。 然而，据我们所知，这种新颖的设计还没有被考虑用于隐蔽通信。
基于上述观察结果，作为第一项工作，我们研究了在IRS辅助的NOMA系统中下行和上行的隐蔽通信，其中合法发射机应用NOMA与隐蔽用户和公共用户针对监狱长进行通信。 我们的目标是充分利用无线系统环境中固有的不确定性，隐藏合法发射机和隐蔽用户之间的通信。 将IRS和NOMA应用于隐蔽通信的动机是:㈠ NOMA和IRS都与隐蔽通信具有很好的兼容性，而不需要对相应的硬件进行大量的重新设计。 (ii)公共用户的NOMA信令（如果其行为是随机的）可以提供一个掩护来隐藏隐蔽用户的传输，并且利用NOMA可以通过同时隐蔽和公开传输来提高频谱效率。 (iii)可以利用IRS相移（如果它可以引入不确定性的话）作为隐蔽通信的屏蔽，并且IRS可以通过信号强度增强和/或消除而在不消耗额外资源的情况下以成本有效的方式促进隐蔽通信。 本文的主要贡献概括如下。
1)我们提出了一种新的irs辅助下行和上行NOMA方案来实现隐蔽的无线通信。结合IRS的相移不确定性和公众用户的非正交信号传输作为新的覆盖介质来屏蔽隐蔽用户的信号传输。因此，所提出的方案不需要任何其他的不确定性源，如发射机的随机发射功率或典狱长的噪声不确定性，因此，它们通常比现有的隐蔽通信方法更简单、更经济。
2)从隐蔽通信的角度出发，在最坏的情况下，典狱长可以最优地选择其检测阈值，我们得到了各方案的最小平均检测误差概率的解析闭型表达式。将作为后续优化的隐蔽约束。
3)针对所提出的各方案，分别制定了发射功率分配和IRS反射波束形成的联合优化框架，以提高隐蔽通信的性能。为了解决已有的非凸优化问题，我们进一步发展了基于交替优化的高效算法，对功率分配和反射系数进行交替优化。特别地，在每次迭代中，以封闭形式导出了给定IRS相移的最优功率分配解，并利用半定松弛(SDR)技术得到了给定功率分配的最优反射系数。
4)通过分析和数值结果，我们得到了各种有用的结论:i)我们的方案总能在非零发射功率下保证正隐蔽率;ii)增加对公众用户的发射功率和IRS反射元件数量均有助于降低典狱长的探测性能。特别是，随着公众用户的发射功率增大，看守人的最小平均检测错误概率接近于1，这意味着看守人的检测似乎是一个随机猜测;iii)在考虑的系统中不使用IRS或NOMA就不可能实现隐蔽通信，从而验证所提出方案的有效性。