双可重构智能表面辅助的联合主被动干扰方法

郭海燕，周 飞，冯蕴天

(1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003 2.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003 3.华为技术有限公司，广东 深圳 518129)

可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface， RIS）是近年来兴起的一项变革性技术，受到了国内外学术界的密切关注［1－6］。 RIS 是一种集成若干低成本无源反射单元的可配置智能平面，每个反射单元的反射强度和相位偏移可以通过微控制器实时调整，从而可以根据通信需求，对入射电磁波进行自适应地被动反射，构建智能无线传输环境［7－8］。 同时，RIS 具有低能耗、低成本、布设方便灵活等特点，具有广阔的应用前景［9－17］。

在RIS 增强无线通信领域，RIS 辅助的安全通信是一个重要研究方向。 其中，RIS 辅助的物理层安全是将RIS 作为被动中继，利用其自适应被动反射特性对抗无线网络中的非法窃听攻击，从而保障无线通信系统中合法用户的安全通信。 例如，文献［18］提出RIS 辅助的多天线物理层安全传输策略，通过优化发送波束成形和RIS 的反射相移，最小化发送功率，并保证系统安全速率的限制约束。 文献［19］提出利用RIS 的被动反射特性来干扰无线网络中的多个恶意窃听者，通过优化RIS 的反射相移，在完美信道信息状态（Channel State Information，CSI）情况下最小化窃听者的最大接收信干噪比或在非完美CSI 情况下最大化窃听者的中断信干噪比。 文献［20］研究多窃听用户场景下基于友好干扰和RIS 的物理层安全，提出在完美CSI 和非完美CSI 场景下，分别联合优化发送波束成形矩阵、友好干扰波束成形矩阵和RIS 反射相移，最大化系统的安全能效。 文献［21］针对窃听用户配置多天线的场景，分析了统计CSI 已知时系统的遍历安全速率，提出了联合优化基站发送协方差矩阵和RIS 反射相移矩阵，以最大化遍历安全速率。 文献［22］面向RIS 辅助的无线携能通信物联网系统，提出一种安全波束成形设计算法，使采集功率最大化，并满足系统的安全速率约束。

采用RIS 不仅能有效抑制非法窃听，还能削弱恶意干扰，增强无线通信系统的抗干扰攻击能力。例如，文献［23］提出部署空中RIS 来对抗恶意干扰攻击，通过联合优化RIS 的水平坐标和RIS 的反射相移，最大化合法接收端的可达速率。 文献［24］采用RIS 来对抗无线通信网络中的干扰攻击和窃听攻击，通过联合优化基站的主动波束成形和RIS 的被动波束成形，最大化系统可达速率，并将信息泄露限制在阈值下。 文献［25］面向铁路无线通信系统，提出优化RIS 被动反射相移，来抑制列车终端接收到的外部干扰信号。 文献［26］研究多用户场景下RIS辅助的抗干扰通信，在干扰终端统计CSI 已知和CSI 未知的条件下，分别提出联合优化发送波束成形和RIS 反射相移，以最小化系统发送功率，并保障合法用户遭受干扰攻击时的中断概率仍满足要求。

上述采用RIS 辅助的安全通信能够有效对抗窃听攻击或干扰攻击，其根本原因是RIS 能够根据实际通信安全需求，自适应地优化其被动反射相移，使得终端接收到的某些信号功率增强，某些信号功率削弱。 由此出发，本文从另一个角度来研究RIS 辅助的安全通信，具体研究如何利用RIS 来干扰非法通信系统，以达到破坏非法通信的目的。 目前采用RIS 干扰非法通信系统的研究文献较少。 文献［27］提出了一种基于RIS 的被动干扰方案，通过优化RIS 的反射系数矩阵，保证来自反射链路的信号和来自直传链路的信号在非法接收端尽量相互抵消，其性能显著优于传统的主动干扰方案。 并且由于RIS 不主动发射信号，难以被非法通信系统发现。

不同于文献［27］提出的基于单个RIS 的被动干扰方案，本文提出布设双RIS，将主动干扰与被动干扰有机结合，以提升干扰性能。 具体地，在我方主动干扰机侧布设一个RIS 对主动干扰信号进行增强，在非法发送端侧布设一个RIS 对信息信号进行削减。 在此基础上，联合优化双RIS 的反射系数矩阵，以最小化非法通信系统接收端的信干噪比。 将此联合优化问题转化为两个单RIS 反射系数矩阵的子优化问题，并设计相应的优化算法求解。 仿真结果表明，与基于单RIS 的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法和无RIS 的传统主动干扰方法相比，本文所提的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法显著降低了非法通信系统的接收信干噪比。

1 双RIS 辅助的联合主被动干扰系统模型

如图1 所示，本文考虑双RIS 辅助的无线通信系统，包括我方主动干扰机J，我方布设的RISIA和RISIB，以及由非法发送端Se、 非法接收端De构成的非法通信对。 其中，IA布设在靠近J的一侧，用于增强J传输至De的干扰信号；IB布设在靠近Se的一侧，用于消减Se传输至De的信号。 本文考虑J和Se之间有大障碍物阻挡的场景，IA和IB的布设充分利用障碍物，保障IA和IB之间无相互反射，J与IB间无直传链路，Se与IA间无直传链路。J、Se和De均为单天线节点，IA有NA个反射单元，IB有NB个反射单元。

图1 系统模型图

2 双RIS 的反射系数矩阵优化

在本节中，首先以最小化De的接收信干噪比γDe为目标，考虑RIS 反射相移约束和干扰机最大发送功率约束，构建RISIA的反射系数矩阵QIA、RISIB的反射系数矩阵QIB和我方干扰机J的发送功率PJ的联合优化问题。 然后，鉴于QIA和QIB互不影响，将此联合优化问题转化为求解QIA、PJ的子优化问题和求解QIB的子优化问题。 并且，鉴于QIB优化问题复杂度高，设计了有效的快速算法求取QIB的次优解。

2.1 优化问题构建

2.2 RISIB 的反射系数矩阵优化

2.3 RISIA 的反射系数矩阵优化

3 仿真结果分析

对本文所提的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法进行仿真，并与基于单RIS 的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法、无RIS 的传统主动干扰方法进行性能比较。 在基于单RIS 的被动干扰方法中，非法发送端侧布设单个RIS 以尽量抵消信息信号；在单RIS 辅助的主动干扰方法中，主动干扰机侧布设单个RIS 以增强干扰信号；在无RIS 的传统主动干扰方法中，不布设RIS，主动干扰机发送干扰信号对目标通信系统进行干扰。

图2 为非法接收端的信干噪比与干扰机最大发送功率Pmax的关系曲线图。 从图2 可以看出，无论干扰机发送功率Pmax取何值，本文所提的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法性能明显优于基于单RIS的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法和无RIS 的传统主动干扰方法，这表明了本文所提的联合主被动干扰方法的优势。 同时，从图2 还可以看出，随着干扰机最大发送功率的增加，本文所提方案和对比方案下非法接收端的信干噪比都随之下降。其原因是非法接收端接收到的干扰信号功率随着干扰机最大发送功率的增加而增大。

图2 非法接收端的信干噪比与干扰机最大发送功率的关系曲线图

图3 为非法接收端的信干噪比与发送端发送功率PSe的关系曲线图。 从图3 可以看出，无论PSe取值如何，与基于单RIS 的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法和无RIS 的传统主动干扰方法相比，本文所提的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法下接收端的信干噪比显著下降，这进一步验证了本文所提联合主被动干扰方法的优势。 并且，随着非法发送端功率PSe的增加，本文所提方法和对比方法下非法接收端的信干噪比均上升。 这是因为随着PSe的增加，非法接收端的信息信号功率也随之增加。

图3 非法接收端的信干噪比与发送端发送功率的关系曲线图

图4 为非法接收端的信干噪比与干扰机侧RISIA反射单元个数的关系曲线图。 从图4 可以看出，无论IA的反射单元个数取何值，本文所提的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法性能均明显优于其它3 种对比方案。 并且，随着RISIA的反射单元数的增加，非法接收端的信干噪比呈下降趋势，说明了本文所提方法的性能还能随着IA反射单元个数的增加进一步提升。 值得提出的是，如图4 所示，当RIS 反射单元个数大于一定数量时，基于单RIS 的被动干扰方法下接收端的信干噪比出现了抖动，这是由于信道的随机特性造成的。 另外，由于在无RIS 的传统主动被动干扰方法中，干扰机侧不布设RIS，故此方法下接收端的信干噪比不随干扰机侧RIS 单元个数的变化而变化，其轻微波动是由于信道的随机特性引起的。

图4 非法接收端的信干噪比与发送端侧RISIA反射单元个数的关系曲线图

图5 为非法接收端的信干噪比与发送端侧RISIB反射单元个数的关系曲线图。 从图5 可以看出，无论IB反射单元个数取何值，本文提出的双RIS辅助的联合主被动干扰方法得到的接收信干噪比均明显低于基于单RIS 的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法和无RIS 的传统主动干扰方法。 同时，从图5 还可以看出，随着RISIB反射单元个数的增加，非法接收端的信干噪比呈下降趋势，但当RISIB反射单元个数大于150 时，采用本文提出的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法和采用基于单RIS的被动干扰方法，非法接收端的接收信干噪比不再明显下降。 其原因是当RISIB反射单元个数大于一定数量后，经RIS 被动反射的信号对直传信号的抵消能力已趋近平稳。

图5 非法接收端的信干噪比与发送端侧RISIB反射单元个数的关系曲线图

4 结束语

文中提出了一种双RIS 辅助的联合主被动干扰方法，通过在干扰机侧和非法发送端侧各布设一个RIS 来干扰非法通信系统。 以最小化非法接收端的信干噪比为目标，构建了干扰机侧RIS 反射系数矩阵和发送端侧RIS 反射系数矩阵的联合优化问题，并将此问题分解为两个子优化问题，分别进行求解。针对发送端侧RIS 反射系数矩阵优化复杂度高的问题，设计了相应的快速求解算法。 仿真结果表明，文中提出的双RIS 辅助的联合主被动干扰方法性能明显优于基于单RIS 的被动干扰方法、单RIS 辅助的主动干扰方法和无RIS 的传统主动干扰方法。