通过智能反射面进行安全的无线通信

前言

本文是对《Secure Wireless Communication via Intelligent Reflecting Surface》这篇文章的读书笔记，按照本人的逻辑习惯进行梳理和整理。

简介

目的：最大化合法通信链路的保密速率
手段：联合优化AP的发送波束和RIS的反射波束
工具：交替优化、半定松弛

场景设置：
多天线接入点（源），单天线用户，单天线窃听，直射链路和反射链路均存在，且窃听信道优于合法信道同时两者空间强相关（文章指出在这种情况下，传统的采用AN和多天线波束形成技术都不太好使）。系统模型如图1所示。

在此模型下假设所有信道的CSI已知。
我们知道，在RIS辅助通信系统中，合法用户可以通过与AP交互，从而使得合法链路的CSI容易获得，在一般情况下窃听信道的CSI是未知的。文章中提到通过参考文献《Principles of physical layer security in multiuser wireless networks: a survey》可知，对于窃听者，如果其在系统中为活跃用户但不受合法接收者信任时，假设其CSI已知和合理的。

如何实现联合优化从何达到最大化保密速率呢？
1、调整RIS单元相移，使其到用户端是增强信号，到窃听端是信号相消。
2、优化AP端波束形成，平衡发送到用户端与窃听端的信号，从而达到与上一点相配合的目的。

其实通过上面阐述的优化思路和手段，就不难理解文章中为什么强调其模型中所有信道CSI已知了，如果没有这个先决条件，后面所有的方法都是空中楼阁而已。

优化模型建立

从图1中可以看出，对于窃听者和合法用户而言，直射链路和反射链路均存在，则两者收到的信号分别为：

所求的保密速率为：

则可以得到优化问题的描述;

对于上式中参数的具体定义详见论文。

求解

交替优化、半定松弛
其实套路是一样的，对于这篇文章，先固定RIS的相移q，优化AP端发送矩阵w，然后反过来再来一遍。
具体的优化过程详见论文，在此处贴一下总算法流程。

仿真结果

给出了三个对照组
一个是上限，一个是RIS端正常优化AP端的发送功率按照最大传输比（MRT）来，还有一个是AP端正常优化不设置RIS端。
仿真结果如下：

值得注意的是：
图2中，可以看到没有RIS的时候，保密速率增长的速度是比较缓慢的，这是因为在没有RIS的情况下，只存在直射链路，从图1可以看出，两个信道高度相关，并且窃听者距离AP更近，因此所得到的保密速率是十分有限的。