Communication secrète dans
les systèmes NOMA intelligents assistés par surface réfléchissante : conception,
analyse et optimisation La première moitié des notes de lecture
Avec la demande croissante d'applications à haut débit et de services sans fil omniprésents, diverses technologies sans fil avancées, notamment les technologies MIMO et à ondes millimétriques, ont été proposées pour améliorer les performances du réseau [2]. Cependant, les avantages se font souvent au détriment d'une consommation d'énergie élevée et/ou du coût et de la complexité du matériel en raison de l'utilisation d'un grand nombre de composants actifs gourmands en énergie (c'est-à-dire la chaîne RF). Dans ce contexte, les surfaces réfléchissantes intelligentes (IRS), également connues sous le nom de surfaces intelligentes reconfigurables, ont été proposées comme technologie de pointe pour une communication sans fil économe en spectre et en énergie [3]-[5]. Plus précisément, un IRS est une surface bidimensionnelle (c'est-à-dire une surface variable) de matériau électromagnétique (EM) composée d'un grand nombre d'éléments réfléchissants reconfigurables quasi passifs. Chaque élément réfléchissant peut être contrôlé par un contrôleur intelligent pour ajuster les caractéristiques EM (par exemple, phase et amplitude) du signal d'entrée. En contrôlant habilement tous les éléments réfléchissants de l'IRS, l'environnement de propagation radio souhaité peut être établi pour améliorer le débit de données ou la fiabilité de la réception [6]-[9], réduire la consommation d'énergie [10]-[13], étendre la couverture [14] , et réaliser des connexions à grande échelle [15]-[18].
D'autre part, étant donné qu'une grande quantité de données confidentielles et sensibles (telles que les détails financiers, les dossiers de santé électroniques et l'authentification de l'identité) sont transmises via des médias sans fil ouverts, la confidentialité et la protection de la vie privée sont devenues des tâches clés dans le développement des systèmes de sixième génération. (6G) communications sans fil. Cela nécessite une sécurité au niveau de la couche physique, en exploitant le caractère aléatoire inhérent au bruit et aux canaux d'évanouissement pour empêcher les fuites d'informations [19]–[21]. En raison de sa capacité à reconfigurer les canaux sans fil de manière rentable, l'IRS a récemment été intégré à la sécurité de la couche physique pour protéger la transmission des informations. Plus précisément, avec un déphasage approprié, le signal réfléchi IRS peut être ajouté de manière cohérente au signal non réfléchi au niveau de l'utilisateur légitime et ajouté de manière destructrice au niveau de l'écoute indiscrète, améliorant ainsi considérablement le taux de secret. En supposant que l'écoute clandestine connaît les informations complètes sur l'état du canal (CSI), les articles [22] et [23] étudient respectivement les problèmes de maximisation du taux de secret et de minimisation de la puissance de transmission de la transmission à entrées multiples et à sortie unique (MISO) assistée par IRS. . Ensuite, l’attention est portée sur les scénarios MIMO assistés par IRS pour maximiser le taux de secret [24]. Les documents [25] et [26] montrent que l'introduction de bruit artificiel dans la formation de faisceaux d'émission et la formation de faisceaux réfléchissants IRS peut aider à améliorer le taux de secret dans le cas de CSI d'écoute clandestine et d'absence de CSI d'écoute clandestine. La littérature [27] a proposé un nouveau système de brouillage d'informations via l'IRS pour garantir la confidentialité des communications bidirectionnelles.
Cependant, dans certains cas, il ne suffit pas de protéger le contenu de la communication en utilisant les techniques de sécurité de la couche physique existantes, et la communication elle-même doit souvent être cachée pour éviter d'être détectée par [28]. Par exemple, dans les réseaux de renseignement tactique, les opérations militaires veulent se protéger des adversaires. Ou bien, dans un réseau d’institutions financières, une entité souhaite protéger ses activités secrètes de la surveillance d’un gouvernement autoritaire. Par conséquent, les systèmes de communication sécurisés devraient également offrir une discrétion ou une faible probabilité de détection, et la satisfaction de ces problèmes de sécurité a motivé les récents progrès en matière de communication secrète. Théoriquement, le but de la communication secrète est d'explorer les limites fondamentales de la dissimulation de la quantité d'informations sans fil qui peuvent être secrètement transmises d'un émetteur légitime à un récepteur légitime, avec une probabilité négligeable d'être détectées par un chien de garde [28], [29]. . Les travaux de [30] indiquent qu'un taux de dissimulation positif peut être atteint lorsque le gardien ne connaît pas exactement la puissance du bruit qu'il reçoit. Pour le cas où le gardien n'est pas sûr du total des interférences reçues, [31] et [32] étudient le débit caché maximum et la probabilité de panne secrète pour les réseaux sans fil aléatoires. Dans [33], la communication secrète avec des contraintes de retard est étudiée et il est montré que l'introduction d'une longueur de bloc finie et l'utilisation d'une puissance de transmission aléatoire peuvent effectivement confondre le gardien. Dans [34], une stratégie de contrôle de puissance inverse pour les canaux réguliers et tronqués est proposée pour empêcher les observateurs de connaître l'existence d'émetteurs légitimes, garantissant ainsi leur dissimulation. De plus, il a été découvert dans [35]–[37] qu'en intégrant des signaux secrets dans le signal de superposition, une communication secrète avec un taux secret positif peut être réalisée.
Il convient de noter que les stratégies secrètes examinées dans [30]–[37] peuvent dégrader dans une certaine mesure les performances de communication avec les utilisateurs légitimes en raison de problèmes de consommation de ressources et de contraintes secrètes strictes [38]. Pour résoudre cette énigme, plusieurs études récentes ont tenté d'exploiter l'IRS pour faciliter les communications sans fil secrètes en améliorant simultanément la qualité du signal reçu pour les utilisateurs légitimes et en affaiblissant la force du signal du gardien. Dans [38], les auteurs ont démontré que des taux de dissimulation plus élevés peuvent être obtenus avec IRS que sans IRS en considérant l'incertitude du bruit au niveau du moniteur comme support de couverture. Le travail de [38] a ensuite été étendu à une configuration de système plus générale avec des antennes simples et multiples sur l'émetteur légal dans [39], où l'effet de différentes disponibilités de CSI du prisonnier sur les performances du taux de dissimulation a été évalué. Plus récemment, les auteurs de [40] ont étudié la conception conjointe de la puissance d'émission et du coefficient de réflexion IRS afin de maximiser la puissance du signal reçu pour les récepteurs secrets dans l'hypothèse d'un nombre fini d'utilisations de canaux.
Dans de nombreux travaux existants sur les médias superposés utilisant des actions publiques comme actions secrètes (voir par exemple [35]–[37]), il est supposé que différents livres de codes [35] ou puissances de transmission aléatoires [36] sont appliqués aux émetteurs légitimes, [37 ]. Cependant, nous notons que : (i) l'hypothèse de livres de codes différents sur les émetteurs légaux peut ne pas être réalisable dans tous les cas possibles ; et (ii) comme indiqué dans [33], pour une puissance de transmission aléatoire, le nombre et le nombre de livres de codes utilisés car le taux de transmission doit être proche de l'infini, ce qui est souvent difficile à atteindre dans les réseaux sans fil pratiques.
Des études préliminaires (voir par exemple [38]–[40]) suggèrent l'utilisation de l'IRS pour les communications secrètes, mais nécessitent des sources d'incertitude supplémentaires, par exemple l'incertitude liée au bruit des moniteurs [38], [39] ou une longueur de bloc limitée. exigence [40] (limitée à certains scénarios d’application spécifiques). En fait, ils ignorent tous deux une source utile d’incertitude inhérente au système de communication secret assisté par l’IRS. Plus précisément, le déphasage de l'IRS peut être conçu pour provoquer une confusion intentionnelle, dégrader les performances de détection du signal du moniteur et en même temps améliorer la qualité de réception du signal du récepteur légitime pour faciliter la dissimulation de la communication. Cependant, à notre connaissance, cette nouvelle conception n’a pas été envisagée pour des communications secrètes.
Sur la base des observations ci-dessus, dans un premier temps, nous étudions les communications secrètes descendantes et montantes dans un système NOMA assisté par IRS, où des émetteurs légitimes appliquent NOMA pour communiquer avec des utilisateurs secrets et des utilisateurs publics contre le gardien. Notre objectif est d'exploiter l'incertitude inhérente à l'environnement des systèmes sans fil pour masquer les communications entre les émetteurs légitimes et les utilisateurs secrets. Les motivations pour appliquer l'IRS et le NOMA aux communications secrètes sont les suivantes : (1) NOMA et IRS ont tous deux une bonne compatibilité avec les communications secrètes, et il n'est pas nécessaire de repenser beaucoup le matériel correspondant. (ii) La signalisation NOMA des utilisateurs publics (si leur comportement est aléatoire) peut fournir une couverture pour cacher les transmissions des utilisateurs secrets, et l'exploitation de NOMA peut améliorer l'efficacité spectrale en dissimulant simultanément les transmissions manifestes. (iii) Le déphasage de l'IRS (s'il peut introduire une incertitude) peut être exploité comme bouclier pour les communications secrètes, et l'IRS peut être facilité de manière rentable sans consommer de ressources supplémentaires grâce à l'amélioration de la force du signal et/ou à l'annulation des communications secrètes. Les principales contributions de cet article sont résumées comme suit.
1) Nous proposons un nouveau système NOMA de liaison descendante et de liaison montante assisté par IRS pour réaliser une communication sans fil secrète. Combinant l'incertitude de déphasage de l'IRS et la transmission non orthogonale du signal des utilisateurs publics en tant que nouveau support de superposition pour protéger la transmission du signal des utilisateurs secrets. Par conséquent, les systèmes proposés ne nécessitent aucune autre source d’incertitude, telle que la puissance d’émission aléatoire de l’émetteur ou l’incertitude liée au bruit du gardien, et sont donc généralement plus simples et plus économiques que les méthodes de communication secrètes existantes.
2) Du point de vue de la communication secrète, dans le pire des cas, le gardien peut choisir son seuil de détection de manière optimale, et nous obtenons les expressions analytiques sous forme fermée de la probabilité d'erreur de détection moyenne minimale de chaque schéma. servira de contrainte cachée pour les optimisations ultérieures.
3) Pour chacun des schémas proposés, un cadre d'optimisation conjoint de l'allocation de puissance d'émission et de la formation de faisceaux de réflexion IRS est formulé pour améliorer les performances des communications secrètes. Afin de résoudre les problèmes d'optimisation non convexes existants, nous développons davantage un algorithme efficace basé sur l'optimisation alternée, qui optimise alternativement la distribution de puissance et le coefficient de réflexion. En particulier, à chaque itération, la solution optimale d'allocation de puissance pour un déphasage IRS donné est dérivée sous forme fermée, et le coefficient de réflexion optimal pour une allocation de puissance donnée est obtenu à l'aide de la technique de relaxation semi-définie (SDR).
4) Grâce à l'analyse et aux résultats numériques, nous obtenons diverses conclusions utiles : i) notre système peut toujours garantir le taux de dissimulation positif à une puissance d'émission non nulle ; ii) augmenter la puissance d'émission et le nombre d'éléments réfléchissants IRS pour le public. réduire les performances de détection du gardien. En particulier, à mesure que la puissance d'émission de l'utilisateur public augmente, la probabilité moyenne minimale d'erreur de détection du gardien est proche de 1, ce qui signifie que la détection du gardien semble être une supposition aléatoire ; iii) aucun IRS ou NOMA n'est utilisé dans le système considéré Il est impossible de réaliser une communication secrète, vérifiant ainsi l'efficacité du système proposé.