Скрытая коммуникация в интеллектуальных отражающих
системах NOMA с использованием поверхности: проектирование,
анализ и оптимизация Первая половина примечаний к прочтению
С ростом спроса на высокоскоростные приложения и повсеместные беспроводные услуги для улучшения производительности сети были предложены различные передовые беспроводные технологии, включая MIMO и технологии миллиметровых волн [2]. Однако преимущества часто достигаются за счет высокого энергопотребления и/или стоимости и сложности оборудования из-за использования большого количества энергоемких активных компонентов (т. е. радиочастотной цепи). В этом контексте интеллектуальные отражающие поверхности (IRS), также известные как реконфигурируемые интеллектуальные поверхности, были предложены в качестве передовой технологии для беспроводной связи с эффективным использованием спектра и энергии [3]-[5]. В частности, IRS представляет собой двумерную поверхность (т.е. переменную поверхность) электромагнитного (ЭМ) материала, состоящую из большого количества почти пассивных, реконфигурируемых отражающих элементов. Каждый отражающий элемент может управляться интеллектуальным контроллером для регулировки электромагнитных характеристик (например, фазы и амплитуды) входного сигнала. Умело управляя всеми отражающими элементами IRS, можно создать желаемую среду распространения радиосигнала для повышения скорости передачи данных или надежности приема [6]-[9], снижения энергопотребления [10]-[13], расширения покрытия [14] , и добиться масштабных связей [15]-[18].
С другой стороны, поскольку большой объем конфиденциальных и чувствительных данных (таких как финансовые данные, электронные медицинские записи и аутентификация личности) передается через открытые беспроводные среды, конфиденциальность и защита конфиденциальности стали ключевыми задачами при разработке шестого поколения. (6G) беспроводная связь. Это требует безопасности на физическом уровне, используя присущую каналам случайность шума и замираний для предотвращения утечки информации [19]–[21]. Благодаря своей способности экономически эффективно реконфигурировать беспроводные каналы, IRS недавно была интегрирована в систему безопасности физического уровня для защиты передачи информации. В частности, при соответствующем фазовом сдвиге отраженный сигнал IRS может быть когерентно добавлен к неотраженному сигналу у законного пользователя и разрушительно добавлен у перехватчика, тем самым значительно улучшая уровень секретности. В предположении, что перехватчик знает полную информацию о состоянии канала (CSI), в статьях [22] и [23] изучаются проблемы максимизации уровня секретности и минимизации мощности передачи при передаче с несколькими входами и одним выходом (MISO) с помощью IRS соответственно. . После этого внимание переключается на сценарии MIMO с помощью IRS, чтобы максимизировать уровень секретности [24]. Документы [25] и [26] показывают, что введение искусственного шума при формировании луча передачи и отражающем формировании луча IRS может помочь улучшить уровень секретности в случае подслушивающего CSI и отсутствия подслушивающего CSI. В литературе [27] предложена новая схема подавления информации через IRS для обеспечения конфиденциальности двусторонней связи.
Однако в некоторых случаях недостаточно защитить контент связи с помощью существующих методов безопасности физического уровня, и саму связь часто необходимо скрыть, чтобы избежать обнаружения [28]. Например, в сетях тактической разведки военные операции хотят защититься от противников. Или, в сети финансовых учреждений, организация желает защитить свою тайную деятельность от наблюдения со стороны авторитарного правительства. Следовательно, системы безопасной связи также должны обеспечивать скрытность или низкую вероятность обнаружения, и удовлетворение таких проблем безопасности послужило мотивацией недавних достижений в области скрытой связи. Теоретически цель скрытой связи состоит в том, чтобы изучить фундаментальные пределы сокрытия объема беспроводной информации, которая может быть тайно передана от законного передатчика к законному получателю с незначительной вероятностью быть обнаруженной сторожевым таймером [28], [29] . В работе [30] утверждается, что положительная степень маскировки может быть достигнута, когда начальник тюрьмы не знает точно, какую мощность шума он получает. В случае, когда смотритель не уверен в общем объеме принимаемых помех, [31] и [32] исследуют максимальную скрытую пропускную способность и вероятность скрытого сбоя для случайных беспроводных сетей. В [33] изучается скрытая связь с ограничениями по задержке и показано, что введение конечной длины блока и использование случайной мощности передачи могут эффективно сбить с толку надзирателя. В [34] предлагается стратегия обратного управления мощностью для обычных и усеченных каналов, чтобы не допустить, чтобы наблюдатели узнали о существовании законных передатчиков, гарантируя тем самым их сокрытие. Кроме того, в [35]–[37] было обнаружено, что встраивание скрытых сигналов в сигнал суперпозиции позволяет реализовать скрытую связь с положительной скрытой скоростью.
Стоит отметить, что скрытые стратегии, рассмотренные в [30]–[37], могут в некоторой степени ухудшить производительность связи у законных пользователей из-за проблем с потреблением ресурсов и строгих скрытых ограничений [38]. Чтобы решить эту загадку, в нескольких недавних исследованиях была предпринята попытка использовать IRS для облегчения скрытой беспроводной связи, одновременно улучшая качество принимаемого сигнала для законных пользователей и ослабляя мощность сигнала начальника тюрьмы. В [38] авторы продемонстрировали, что с IRS можно получить более высокие показатели маскирования, чем без IRS, если рассматривать неопределенность шума на мониторе как среду покрытия. Работа в [38] впоследствии была расширена до более общей установки системы как с одной, так и с несколькими антеннами на законном передатчике в [39], где оценивалось влияние различной доступности CSI заключенного на эффективность сокрытия. Совсем недавно авторы в [40] исследовали совместный расчет мощности передачи и коэффициента отражения IRS для максимизации мощности принимаемого сигнала для скрытых приемников в предположении конечного числа использований канала.
Во многих существующих работах по наложенным медиа, использующим публичные действия в качестве тайных действий (см., например, [35]–[37]), предполагается, что у законных передатчиков применяются разные кодовые книги [35] или произвольные мощности передачи [36], [37] ]. Однако мы отмечаем, что: (i) предположение о различных кодовых книгах на законных передатчиках может оказаться невозможным для всех возможных случаев; и (ii) как показано в [33], для случайной мощности передачи как количество, так и количество используемых кодовых книг поскольку скорость передачи должна быть близка к бесконечности, чего часто трудно достичь в практических беспроводных сетях.
Предварительные исследования (см., например, [38]–[40]) предполагают использование IRS для скрытой связи, но требуют дополнительных источников неопределенности, например, шумовой неопределенности мониторов [38], [39] или ограниченной длины блока. требование [40] (ограничено некоторыми конкретными сценариями применения). Фактически, они оба игнорируют полезный источник неопределенности, присущий рассматриваемой системе скрытой связи с помощью IRS. В частности, фазовый сдвиг IRS может быть спроектирован таким образом, чтобы вызвать преднамеренную путаницу, ухудшить качество обнаружения сигнала монитором и в то же время улучшить качество приема сигнала законного приемника, чтобы облегчить сокрытие связи. Однако, насколько нам известно, эта новая конструкция не рассматривалась для скрытой связи.
Основываясь на вышеизложенных наблюдениях, в качестве первой работы мы исследуем скрытую нисходящую и восходящую линию связи в системе NOMA, поддерживаемой IRS, где законные передатчики применяют NOMA для связи с тайными пользователями и публичными пользователями против начальника тюрьмы. Наша цель — использовать присущую среде беспроводной системы неопределенность, чтобы скрыть связь между законными передатчиками и скрытыми пользователями. Причины применения IRS и NOMA для скрытой связи следующие: (1) И NOMA, и IRS хорошо совместимы со скрытой связью, и нет необходимости сильно перепроектировать соответствующее оборудование. (ii) Сигнализация NOMA общедоступных пользователей (если их поведение является случайным) может обеспечить прикрытие для сокрытия передач скрытых пользователей, а использование NOMA может улучшить спектральную эффективность за счет одновременного сокрытия и явных передач. (iii) Фазовый сдвиг IRS (если он может внести неопределенность) может использоваться в качестве щита для скрытой связи, а IRS может быть реализован экономически эффективным способом без потребления дополнительных ресурсов за счет повышения мощности сигнала и/или отмены скрытой связи. Основные положения данной статьи резюмируются следующим образом.
1) Мы предлагаем новую схему NOMA нисходящей и восходящей линии связи с помощью IRS для достижения скрытой беспроводной связи. Сочетание неопределенности фазового сдвига IRS и неортогональной передачи сигналов публичных пользователей в качестве новой накладной среды для защиты передачи сигналов скрытых пользователей. Таким образом, предложенные схемы не требуют каких-либо других источников неопределенности, таких как случайная мощность передачи передатчика или шумовая неопределенность смотрителя, и, таким образом, они в целом проще и экономичнее, чем существующие методы скрытой связи.
2) С точки зрения скрытой связи, в худшем случае, начальник тюрьмы может оптимально выбрать порог обнаружения, и мы получаем аналитические выражения в замкнутой форме минимальной средней вероятности ошибки обнаружения для каждой схемы. будет служить скрытым ограничением для последующих оптимизаций.
3) Для каждой из предложенных схем сформулирована совместная структура оптимизации распределения мощности передачи и формирования диаграммы отражения IRS для улучшения характеристик скрытой связи. Для решения существующих задач невыпуклой оптимизации мы дополнительно разрабатываем эффективный алгоритм, основанный на поочередной оптимизации, который поочередно оптимизирует распределение мощности и коэффициент отражения. В частности, на каждой итерации оптимальное решение по распределению мощности для данного фазового сдвига IRS выводится в замкнутой форме, а оптимальный коэффициент отражения для заданного распределения мощности получается с использованием метода полуопределенной релаксации (SDR).
4) Благодаря анализу и численным результатам мы получаем различные полезные выводы: i) наша схема всегда может гарантировать положительную степень маскировки при ненулевой мощности передачи; ii) увеличение мощности передачи и количества отражающих элементов IRS для публики. снизить эффективность обнаружения Стража. В частности, по мере увеличения мощности передачи публичного пользователя минимальная средняя вероятность ошибки обнаружения сторожа близка к 1, что означает, что обнаружение сторожа кажется случайным предположением; iii) в Рассматриваемую систему невозможно реализовать скрытую связь, проверив тем самым эффективность предложенной схемы.