Comunicación encubierta en
sistemas NOMA inteligentes reflectantes asistidos por superficie: diseño,
análisis y optimización La primera mitad de las notas de lectura
Con la creciente demanda de aplicaciones de alta velocidad y servicios inalámbricos ubicuos, se han propuesto varias tecnologías inalámbricas avanzadas, incluidas MIMO y tecnologías de ondas milimétricas, para mejorar el rendimiento de la red [2]. Sin embargo, los beneficios a menudo se obtienen a expensas del alto consumo de energía y/o el costo y la complejidad del hardware debido al uso de una gran cantidad de componentes activos que consumen mucha energía (es decir, la cadena de RF). En este contexto, las superficies reflectantes inteligentes (IRS), también conocidas como superficies inteligentes reconfigurables, se han propuesto como una tecnología de vanguardia para la comunicación inalámbrica eficiente en cuanto a espectro y energía [3]-[5]. Específicamente, un IRS es una superficie bidimensional (es decir, una superficie variable) de material electromagnético (EM) compuesta por una gran cantidad de elementos reflectantes reconfigurables y casi pasivos. Cada elemento reflectante puede controlarse mediante un controlador inteligente para ajustar las características EM (por ejemplo, fase y amplitud) de la señal de entrada. Al controlar hábilmente todos los elementos reflectantes del IRS, se puede establecer el entorno de propagación de radio deseado para mejorar la velocidad de datos o la confiabilidad de la recepción [6]-[9], reducir el consumo de energía [10]-[13], ampliar la cobertura [14], y lograr conexiones a gran escala [15]-[18].
Por otro lado, dado que una gran cantidad de datos confidenciales y sensibles (como detalles financieros, registros médicos electrónicos y autenticación de identidad) se transmiten a través de medios inalámbricos abiertos, la confidencialidad y la protección de la privacidad se han convertido en tareas clave en el desarrollo de la sexta generación. (6G) comunicaciones inalámbricas. Esto requiere seguridad en la capa física, explotando la aleatoriedad inherente del ruido y los canales de desvanecimiento para evitar la fuga de información [19]-[21]. Debido a su capacidad para reconfigurar canales inalámbricos de manera rentable, el IRS se ha integrado recientemente en la seguridad de la capa física para proteger la transmisión de información. Específicamente, con un cambio de fase apropiado, la señal reflejada del IRS se puede agregar de manera coherente a la señal no reflejada en el usuario legítimo y agregarse de manera destructiva en el espía, mejorando así significativamente la tasa de secreto. Bajo el supuesto de que el espía conoce la información completa del estado del canal (CSI), los artículos [22] y [23] estudian los problemas de maximización de la tasa de secreto y minimización de la potencia de transmisión de la transmisión de múltiples entradas y salidas (MISO) asistida por el IRS, respectivamente. . Posteriormente, la atención se centra en escenarios MIMO asistidos por el IRS para maximizar la tasa de secreto [24]. Los documentos [25] y [26] muestran que la introducción de ruido artificial en la formación de haces de transmisión y en la formación de haces reflectantes del IRS puede ayudar a mejorar la tasa de secreto en el caso de CSI con escuchas ilegales y CSI sin escuchas ilegales. La literatura [27] propuso un nuevo esquema de interferencia de información a través del IRS para garantizar la confidencialidad de la comunicación bidireccional.
Sin embargo, en algunos casos, no es suficiente proteger el contenido de la comunicación utilizando técnicas de seguridad de capa física existentes, y la comunicación en sí a menudo necesita ocultarse para evitar la detección por parte de [28]. Por ejemplo, en las redes de inteligencia táctica, las operaciones militares quieren protegerse de los adversarios. O, en una red de instituciones financieras, una entidad desea proteger sus actividades encubiertas de la vigilancia de un gobierno autoritario. Por lo tanto, los sistemas de comunicación seguros también deben proporcionar sigilo o baja probabilidad de detección, y la satisfacción de tales preocupaciones de seguridad ha motivado avances recientes en la comunicación encubierta. Teóricamente, el propósito de la comunicación encubierta es explorar los límites fundamentales de ocultar la cantidad de información inalámbrica que puede transmitirse en secreto desde un transmisor legítimo a un receptor legítimo, con una probabilidad insignificante de ser detectada por un organismo de control [28], [29]. . El trabajo de [30] afirma que se puede conseguir una tasa de ocultación positiva cuando el guardián no conoce exactamente la potencia de ruido que recibe. Para el caso en el que el cuidador no está seguro acerca de la interferencia total recibida, [31] y [32] investigan el rendimiento encubierto máximo y la probabilidad de interrupción encubierta para redes inalámbricas aleatorias. En [33], se estudia la comunicación encubierta con restricciones de retardo y se muestra que la introducción de una longitud de bloque finita y el uso de potencia de transmisión aleatoria pueden confundir efectivamente al guardián. En [34] se propone una estrategia de control de potencia inversa para canales regulares y truncados para evitar que los observadores conozcan la existencia de transmisores legítimos, garantizando así su ocultamiento. Además, en [35]–[37] se descubrió que al incorporar señales encubiertas en la señal de superposición, se puede realizar una comunicación encubierta con una tasa de cobertura positiva.
Vale la pena señalar que las estrategias encubiertas revisadas en [30]–[37] pueden degradar el rendimiento de la comunicación con los usuarios legítimos hasta cierto punto debido a problemas de consumo de recursos y estrictas restricciones encubiertas [38]. Para abordar este enigma, varios estudios recientes han intentado aprovechar el IRS para facilitar las comunicaciones inalámbricas encubiertas mejorando simultáneamente la calidad de la señal recibida para los usuarios legítimos y debilitando la intensidad de la señal del guardián. En [38], los autores demostraron que se pueden obtener mayores tasas de ocultación con IRS que sin IRS considerando la incertidumbre del ruido en el monitor como medio de cobertura. El trabajo en [38] se amplió posteriormente a una configuración de sistema más general con antenas únicas y múltiples en el transmisor legal en [39], donde se evaluó el efecto de la diferente disponibilidad de CSI del prisionero en el rendimiento de la tasa de ocultación. Más recientemente, los autores en [40] investigaron el diseño conjunto de la potencia de transmisión y el coeficiente de reflexión IRS para maximizar la potencia de la señal recibida para receptores encubiertos bajo el supuesto de un número finito de usos de canales.
En muchos trabajos existentes sobre medios superpuestos que utilizan acciones públicas como acciones encubiertas (ver, por ejemplo, [35]–[37]), se supone que se aplican diferentes libros de códigos [35] o potencias de transmisión aleatorias [36] en transmisores legítimos, [37 ]. Sin embargo, observamos que: (i) asumir diferentes libros de códigos en transmisores legales puede no ser factible en todos los casos posibles; y (ii) como se muestra en [33], para potencia de transmisión aleatoria, tanto el número como el número de libros de códigos utilizados porque la velocidad de transmisión debe ser cercana al infinito, lo que a menudo es difícil de lograr en redes inalámbricas prácticas.
Los estudios preliminares (ver, por ejemplo, [38]-[40]), sugieren el uso del IRS para comunicaciones encubiertas, pero requieren fuentes adicionales de incertidumbre, por ejemplo, la incertidumbre del ruido de los monitores [38], [39] o longitud de bloque limitada. Requisito [40] (limitado a algunos escenarios de aplicación específicos). De hecho, ambos ignoran una útil fuente de incertidumbre inherente al considerado sistema de comunicación encubierto asistido por el IRS. Específicamente, el cambio de fase del IRS puede diseñarse para causar confusión intencional, degradar el rendimiento de detección de señales del monitor y al mismo tiempo mejorar la calidad de recepción de señales del receptor legítimo para facilitar el ocultamiento de la comunicación. Sin embargo, hasta donde sabemos, este novedoso diseño no se ha considerado para la comunicación encubierta.
Con base en las observaciones anteriores, como primer trabajo, investigamos el enlace descendente y ascendente de comunicación encubierta en un sistema NOMA asistido por el IRS, donde los transmisores legítimos aplican NOMA para comunicarse con usuarios encubiertos y usuarios públicos contra el guardián. Nuestro objetivo es explotar la incertidumbre inherente al entorno del sistema inalámbrico para ocultar las comunicaciones entre transmisores legítimos y usuarios encubiertos. Las motivaciones para aplicar IRS y NOMA a la comunicación encubierta son: (1) Tanto NOMA como IRS tienen buena compatibilidad con la comunicación encubierta y no es necesario rediseñar mucho el hardware correspondiente. (ii) La señalización NOMA de los usuarios públicos (si su comportamiento es aleatorio) puede proporcionar una cobertura para ocultar las transmisiones de los usuarios encubiertos, y la explotación de NOMA puede mejorar la eficiencia espectral ocultando y manifestando simultáneamente las transmisiones. (iii) El cambio de fase del IRS (si puede introducir incertidumbre) puede explotarse como escudo para la comunicación encubierta, y el IRS puede facilitarse de manera rentable sin consumir recursos adicionales mediante la mejora de la intensidad de la señal y/o la cancelación de la comunicación encubierta. Las principales contribuciones de este artículo se resumen a continuación.
1) Proponemos un nuevo esquema NOMA de enlace descendente y ascendente asistido por el IRS para lograr una comunicación inalámbrica encubierta. Combinando la incertidumbre del cambio de fase del IRS y la transmisión de señales no ortogonales de los usuarios públicos como un nuevo medio superpuesto para proteger la transmisión de señales de los usuarios encubiertos. Por lo tanto, los esquemas propuestos no requieren ninguna otra fuente de incertidumbre, como la potencia de transmisión aleatoria del transmisor o la incertidumbre del ruido del guardián y, por lo tanto, son generalmente más simples y económicos que los métodos de comunicación encubiertos existentes.
2) Desde la perspectiva de la comunicación encubierta, en el peor de los casos, el guardián puede elegir su umbral de detección de manera óptima, y obtenemos las expresiones analíticas en forma cerrada de la probabilidad de error de detección promedio mínima de cada esquema. servirá como una restricción oculta para optimizaciones posteriores.
3) Para cada uno de los esquemas propuestos, se formula un marco de optimización conjunto de la asignación de potencia de transmisión y la formación de haz de reflexión del IRS para mejorar el rendimiento de la comunicación encubierta. Para resolver los problemas de optimización no convexos existentes, desarrollamos aún más un algoritmo eficiente basado en la optimización alterna, que optimiza alternativamente la distribución de energía y el coeficiente de reflexión. En particular, en cada iteración, la solución de asignación de potencia óptima para un desplazamiento de fase del IRS determinado se deriva en forma cerrada, y el coeficiente de reflexión óptimo para una asignación de potencia determinada se obtiene utilizando la técnica de relajación semidefinida (SDR).
4) A través del análisis y los resultados numéricos, obtenemos varias conclusiones útiles: i) nuestro esquema siempre puede garantizar la tasa de ocultación positiva con una potencia de transmisión distinta de cero; ii) aumentar la potencia de transmisión y la cantidad de elementos reflectantes del IRS para el público. reducir el rendimiento de detección del Guardián. En particular, a medida que aumenta la potencia de transmisión del usuario público, la probabilidad media mínima de error de detección del vigilante es cercana a 1, lo que significa que la detección del vigilante parece ser una suposición aleatoria; iii) no se utiliza ningún IRS ni NOMA en el sistema considerado Es imposible realizar una comunicación encubierta, verificando así la efectividad del esquema propuesto.