STAR-RIS辅助通感一体系统安全传输优化*

周涛，许魁，夏晓晨，苏巧

（陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

随着第五代移动通信（5G,5thGeneration Wireless Communication）技术在全球范围内的广泛商用，业界对于第六代移动通信（6G,6thGeneration Wireless Communication）的展望已经开始。与5G 相比，6G 要求更高的速率、更低的延迟以及万物互联（IoE,Internet of Everything）和通感多维能力。随着万物互联和数字孪生的概念的提出，6G 网络将是移动通信网络、感知网络和算力网络的融合体。通信与感知一体化（ISAC,Integrated Sensing and Communication）正成为6G 技术与业务的主导趋势之一[1-2]。

可重构智能超表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）作为6G 的核心技术之一，能够有效增强区域覆盖、降低无线网络部署的成本和能耗，近年来正受到业界广泛研究[3-5]。RIS 为解决无线网络日益增长的成本以及能耗问题提供了新的范式。不同于传统的抛物面天线或者相控阵天线，RIS 是一种线性或者平面阵列结构。它由一个与发射端相连接（有线或无线）的控制器控制。RIS 包含许多低成本无源阵元，每个元素均是亚波长结构，能够独立地改变入射信号的相位/ 幅度。在通过联合设计各个阵元的反射系数，可以使反射信号在期望的方向相干叠加，实现二次波束成形[6-7]。RIS 的加入使人工配置无线信道成为可能，实现了智能可重构的无线通信。

RIS 辅助ISAC 正成为业界的研究热点。一方面，RIS 本身的大规模阵列结构提供较高的空间分辨率，能够提升感知精度。另一方面，当感知区域被高大建筑物遮挡时，RIS 能够部署于合适位置以建立虚拟的直射（LoS,Line of Sight）路径，提升感知的范围[8-9]。此外RIS 低成本和低能耗特性使其能够大规模分布式部署，进一步提升网络的感知能力。ISAC 的基本思想是通信和感知功能的集成，即通信和感知业务可以完全共享硬件平台，使用双功能波形同时进行，这种ISAC 系统在业界也被称为双功能雷达通信（DFRC,Dual-Functional Radar and Communication）系统。文献[10]研究了RIS 辅助的DRFC 系统，作者将RIS 的阵元进行了划分，一部分阵元由于通信业务，另一部分阵元用于感知业务。在此基础上，作者提出了一种低复杂度的RIS 划分方法和基于码本的RIS 配置方法，以求解RIS 的反射优化。结果表明，所提出的RIS 辅助DFRC 系统具有令人满意的频谱效率以及感知性能。在文献[11]中，作者对BS 的主动波束形成和RIS 反射进行交替优化，在单个用户的通信信噪比约束下，最大化RIS 的波束方向增益，提升雷达目标的检测性能。文献[12]研究了RIS 辅助的DFRC 系统，在通信信噪比约束下，联合设计主被动波束成形，对雷达的信噪比进行优化。仿真结果表明，RIS 辅助的DFRC 系统与传统的DFRC 系统相比实现了大约10 dB 的雷达信噪比增益。在此基础上，文献[13]研究了双RIS 辅助的ISAC 场景，结果表明，双RIS 的使用为雷达和通信信干噪比（SINR）提供了约4 dB 的额外增益。与传统通信系统相比，DFRC系统将面临严重的数据安全性问题。这是由于用于雷达传感的通信信号更容易受到潜在的窃听攻击。文献[14]研究了RIS 辅助的DFRC 系统下行安全传输问题，作者使用随机梯度下降方法联合设计了人工噪声以及主被动波束成形以最大化系统的安全可达速率和雷达信噪比。虽然RIS在成本能耗以及重构无线传播环境方面具有显著优势，但仍存在局限性。在现有的RIS 辅助系统中，RIS 通常只能实现一种工作模式，即反射或者透射模式。为了反射信号，收发机需部署于RIS 的同侧。或者为了透射信号，收发机需部署于RIS 的异侧。也就是说，RIS 只能实现半空间内的可重构无线通信。这限制了RIS 的部署位置，也降低了RIS 设计上的自由度。最近，同时反射和透射智能超表面（STAR-RIS,Simultaneously Transmitting and Reflecting-RIS）作为一种新的RIS 架构被提出，与传统的RIS 不同，其能够同时实现对入射信号的反射和透射，有望扩充无线通信的覆盖范围，实现全空间内的可重构无线通信[15-17]。STAR-RIS 将传统RIS 的半空间可重构传输扩展到了全空间，因此在通感一体系统中具有巨大的应用前景。一方面，STAR-RIS 扩展了系统的感知范围以及通信覆盖范围。另一方面，STAR-RIS 也提升了系统设计以及部署的自由度（如反射时收发节点不需要部署于同侧）。最近，已有一些工作开展对STAR-RIS 辅助的ISAC 系统的研究[18-19]，但业界对于STAR-RIS 辅助ISAC 这一新兴领域的研究处于初始阶段。与传统RIS 辅助的ISAC 系统相比，STARRIS 辅助的ISAC 系统设计更为复杂。一方面，STAR-RIS需要同时设计反射和透射系数（包括反射和透射相移以及反射和透射振幅）。另一方面，STAR-RIS 提升了信号覆盖范围，但也增加了对传输数据的安全性要求，因此系统设计时需考虑安全通信需求。

基于上述背景，本文研究了STAR-RIS 辅助的全域ISAC 系统。系统中存在多个合法用户和感知目标，部署STAR-RIS 协助双功能AP 同时为多个合法用户提供服务并进行目标感知。STAR-RIS 将系统区域划分为透射和反射区域，目标节点被视作潜在的非法窃听者。本文的目标是：最大化目标节点的感知性能，同时保证用户的服务质量以及安全通信需求。为此，引入人工噪声，在抑制窃听的同时提升目标的感知性能。

本文的主要工作总结如下：针对STAR-RIS 这一架构，研究通感一体系统的下行安全传输方法。主要考虑STAR-RIS 的两种协议：能量分裂（ES,Energy Splitting）和模式切换（MS,Mode Switching），针对两种协议分别构建了优化问题，在满足用户服务质量以及安全通信需求的基础上最大化STAR-RIS 到感知目标的波束方向增益。本文所考虑的问题非凸且优化变量强耦合，难以直接求解，为此提出基于交替迭代的优化算法，将优化变量解耦，利用半正定松弛（SDR）和连续凸近似（SCA）等方法获取子问题的高质量可行解。仿真结果验证了所提出方法的有效性，并揭示了与传统IRS 相比STAR-RIS在ISAC 系统中的应用潜力。

1 系统模型及问题建模

STAR-RIS 辅助的ISAC 下行系统如图1 所示：

图1 STAR-RIS辅助的ISAC下行系统

考虑一个STAR-RIS 辅助下行ISAC 系统，STARRIS 将服务区域划分为透射和反射区域，反射和透射区域各存在1 个合法用户和1 个目标节点，由于建筑物遮挡，AP 到各个节点之间的直达路径被阻塞。AP 配备有M根天线，为ULA 阵列。STAR-RIS 配备有N个元素，为ULA 阵列。为了便于表述，首先定义表示用户索引，I表示索引集合，i=t表示处于透射区域的用户，而i=t表示处于反射区域的用户。表示集合I中除i以外的元素，若i=t，则表示感知目标索引,表示索引集合，k=t表示处于透射区域的感知目标，而k=r表示处于反射区域的感知目标。AP 需要在服务用户通信的同时，探测处于NLOS 区域的目标节点。为了实现上述目标，AP 需要发送的信号可以表示为：

1.1 STAR-RIS

STAR-RIS 目前存在三种工作模式：ES、MS 以及时间切换（TS,Time Switching）。下面对以上三种模式进行介绍。

（3）TS 模式，STAR-RIS 分时进行信号的反射和透射。令τt为由于透射的时隙，在此时隙内，所有阵元只进行对信号的透射。τt为由于反射射的时隙，在此时隙内，所有阵元只进行对信号的反射。时隙分配满足τt+τt=1。可以看到，在每一个时隙内，STAR-RIS 相当于一个传统的RIS。

值得注意的是，本文考虑的ISAC 系统需要同时对全空间（反射和透射区域）内的目标节点进行感知，并为全空间内的用户提供服务，因此TS 模式不适用于所考虑的ISAC 系统。综上，本文主要考虑ES 模式，并进一步扩展至MS 模式。实际系统设计时，STAR-RIS 的相移系数的取值可能受限，为内的离散值，即：

本文也将分析离散相移对系统性能的影响，ω表示离散相移量化值，其为正整数。

1.2 通信模型

考虑下行传输，AP 发送信息到各用户处，用户i的接收信号表示为：

ηi表示用户i处的加性噪声，其服从零均值方差为的复高斯分布。基于香农定理，用户i的接收SINR 可以表示为：

类似地，目标节点k的SINR 表示为：

1.3 雷达探测模型

假设探测目标为点状节点，目标k与STAR-RIS 之间的方位角度为θk。方向矢量表示为考虑信息信号s和传感信号x0可以共同用于“照亮”感知目标。目标k的波束增益（Beampattern Gain）表示为[11]：

1.4 问题构建

ut与tk在实际通信中难以直接获取。因此传输设计时往往使用估计的级联信道。假设所有节点的级联CSI 在BS 处完美已知。目标是：联合设计主被动波束成形，在保证合法用户安全通信需求的基础上，最大化感知目标节点的最小波束方向增益，因此优化问题构建为：

2 优化算法

2.1 给定求解

窃听者的SINR 约束可以写为：

子问题可以写为：

由于秩一约束的存在，上述问题仍然非凸。下面使用基于SCA 的罚函数法处理非凸约束对于任意秩一矩阵Wi，下式成立：

上式仍然非凸，利用一阶泰勒展开将其近似为：

ρ1是一个惩罚系数。是一个凸问题通过CVX 可以有效求解。合理设置ρ1，可以得到原子问题的高质量秩一解。此时最优解可以通过特征值分解得到。

2.2 给定求解

2.3 算法总结

本文所提算法的求解过程总结如下：

3 MS模式和离散相移条件

3.1 MS模式下的STAR-RIS

在MS 模式下，AP 处的主动波束成形优化方法与ES 一致，但由于振幅系数为二进制变量（0 和1），此时STAR-RIS 处的被动波束成形优化问题转变为：

利用一阶泰勒展开得：

上述问题可以通过CVX 有效求解。

3.2 离散STAR-RIS相移

4 数值仿真

本节进行数值仿真以验证所提出算法的有效性。AP天线数为8，STAR-RIS 阵元数为30。采用莱斯信道模型。信道F可以表示为：

μ0=10-3，α=2.2，d0=1。为莱斯因子。FNLos表示信道的NLOS 部分，其元素服从复高斯分布均值为0，单位方差。表示信道的LoS 部分，和φ分别表示STAR-RIS 和AP 处的AoA。同理，信道tk与ui也由类似方法建模。AP 与STAR-RIS 之间的距离为30 m，方位角为30°。反射和透射区域用户与STAR-RIS 之间的距离均为30 m，方位角分别为10° 和70°。反射区域目标与STAR-RIS 之间的距离为30 m，方位角为θr=60°；透射区域目标与STAR-RIS 之间的距离为50 m，方位角为θt=20°初始惩罚因子设置为ρ1=ρ2=10-4。

首先分析探测目标节点的最小波束增益与AP 总功率的关系，设为10 dB，为1 dB。AP 总功率在25 dBm至40 dBm 之间变化。主要对比4 种方案：

（1）ES-STAR-RIS：STAR-RIS 处于ES 模式，使用所提出方法进行迭代优化；

（2）MS-STAR-RIS：STAR-RIS 处于MS 模式，使用所提出方法进行迭代优化；

（3）传统RIS：使用两个RIS 分别进行反射和透射，为保证公平，两个RIS 的阵元数均为N/2。

（4）ES-STAR-RIS 随机配置：STAR-RIS 处于ES模式，随机产生STAR-RIS 的反射/透射系数，不进行优化。

从图2 可以看到，随着AP 总功率的增加，探测目标的波束增益也增加。与传统RIS 相比，STAR-RIS 处于ES模式并利用所提出算法进行联合优化后探测目标的最小波束增益性能最好。而STAR-RIS 处于MS 模式时，波束增益性能较低。在低功率条件下，如AP 总功率为25 dBm 时，其性能与传统的RIS 相差不大。随着用于通信和目标感知总功率的增加，MS 的性能优于传统的RIS。因此，与传统RIS 相比，STAR-RIS 能够提供更好的通信和感知性能。在ES 模式下，与随机STAR-RIS 配置相比，所提出的优化算法在保证用户服务质量以及安全通信需求的前提下，能够显著提升目标节点的最小波束增益，这也验证了所提出算法的有效性。

图2 最小波束增益随AP总功率的变化

图3 算法收敛性

图4 展示了探测目标的波束方向图性能。透射区域目标角度为θt=20°，反射区域目标角度为θr=60°，设为10 dB，为1 dB，总功率为30 dBm。图中横坐标代表了STAR-RIS 处的方位角，纵坐标为波束增益，注意为了便于说明，取透射区域增益为正，反射区域为负（这里的正负值只代表不同区域）。可以看到在ES 模式下，使用所提出优化方法能够使波束有效对准目标方位，并且提供较强的波束增益，MS 模式的波束增益性能与ES 相比显著降低，传统的RIS 性能最差。总得来看，STAR-RIS 能够在保证通信性能的同时，提供比传统RIS 更好的波束聚焦性能。

图4 波束图分析

下面分析STAR-RIS 离散相移系数对于系统性能的影响。定义相移取值集为其中ω表示相位量化值。ω衡量了相位的离散程度，ω越大STAR-RIS 阵元的相移取值越多，越接近连续相位。对比了不同用户SINR 需求下的系统性能，设为1 dB，总功率为30 dBm，这里仅讨论具有最优性能的ES 模式。从图5 中可以看到，在低相位量化值下，波束增益性能较差，特别是ω取值为1，相移系数只能取0 和π，波束增益性能较差。当ω取值大于3 时，波束增益性能逐渐逼近连续相移情况。可以看到，离散相移对系统性能影响较大，为了保证系统性能，在实际情况下相位量化值应大于3。此外，用户需求的SINR 越大，系统所能达到的目标波束增益越小。因此系统的通信和感知开销应根据实际需求进行折中，以满足感知和通信需求。

图5 离散相位条件下的性能分析

5 结束语

本文考虑STAR-RIS 辅助的ISAC 系统，旨在联合优化AP 处的主动波束成形以及STAR-RIS 处的被动波束成形，在满足用户服务质量以及安全通信的基础上，最大化感知目标的波束增益。针对这一非凸问题，提出一种交替迭代的优化方法，并利用SCA 和SDR 方法获得了原问题的高质量平稳解。在ES 模式基础上，扩展到了MS 和离散相移情况，并提出相应优化方案。仿真结果验证了所提出方法的有效性，同时揭示了STAR-RIS 在未来通感一体系统中的应用潜力。