可重构智能表面辅助通信系统的物理层安全性能分析与优化

本研究针对RIS（可重构智能表面）辅助无线通信系统中的窃听威胁，通过理论推导与仿真验证，建立了平均保密容量（SC）、近似保密容量、保密中断概率（SOP）等关键指标的闭式表达式，揭示了RIS单元数量与保密性能的正相关关系，为6G时代低成本高能效的物理层安全（PLS）方案设计提供了重要理论支撑。

　　

在5G向6G演进的过程中，无线通信面临两大核心挑战：爆炸式增长的设备连接需求与日益严峻的安全威胁。据预测，2022年5G流量将占移动总流量的12%，全球移动设备数将达123亿——远超80亿的世界人口。传统加密技术存在密钥管理复杂、能耗高等缺陷，而物理层安全（Physical Layer Security, PLS）通过利用无线信道固有特性实现保密传输，成为研究热点。然而现有PLS方案如协作干扰、人工噪声波束成形等，往往需要额外中继或发射模块，导致系统成本和能耗激增。

针对这一困境，可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）技术应运而生。这种由可编程超表面构成的平面阵列，能通过调节电磁波相位实现被动式信号增强，相比传统中继具有能耗低、成本优、部署灵活等特点。特别是在城市通信场景中，当基站（BS）与合法用户（UE）间存在建筑物阻挡时，RIS可通过智能反射建立替代链路。但现有研究对RIS辅助系统的保密性能缺乏系统化分析，尤其在窃听者（Eve）存在条件下的量化评估仍属空白。

来自库塔赫亚杜姆卢珀纳尔大学的研究团队在《Digital Signal Processing》发表的研究，首次建立了RIS辅助单天线系统的完整保密性能分析框架。研究采用蒙特卡洛仿真与理论推导相结合的方法，重点考察了瑞利衰落信道下平均保密容量（Secrecy Capacity, SC）、保密中断概率（Secrecy Outage Probability, SOP）等核心指标，并创新性引入渐进SOP分析揭示系统极限性能。特别值得注意的是，该工作首次量化评估了信道状态信息（Channel State Information, CSI）不完善对保密性能的实际影响。

关键技术方法包括：1) 建立BS-RIS-UE与BS-RIS-Eve双跳信道模型；2) 推导合法信道与窃听信道的信噪比（SNR）表达式；3) 采用矩生成函数法求解SC闭式解；4) 基于SOP阈值设计保密性能评估体系；5) 通过渐进分析揭示RIS单元数N的缩放规律。

【系统模型】构建包含单天线BS、UE、Eve及N单元RIS的通信场景，假设BS-UE无直射路径。通过优化RIS相位偏移，最大化UE处SNR同时抑制Eve接收信号。

【性能分析】推导出四项关键成果：1) 精确平均SC表达式，揭示其与RIS单元数呈正相关；2) 近似SC公式，大幅降低计算复杂度；3) SOP闭式解，量化不同参数下的保密中断风险；4) 渐进SOP证明当N→∞时系统可实现任意小中断概率。

【仿真验证】蒙特卡洛仿真结果与理论曲线完美吻合，证实：1) 增加RIS单元可使SC提升47%；2) 在CSI误差为10%时，系统仍保持80%的理想性能；3) 相比传统中继方案，RIS辅助系统能耗降低60%的同时实现相当保密水平。

该研究的重要意义在于：首次为RIS辅助通信建立了完整的PLS评估体系，其闭式表达式可直接用于6G系统设计。实践层面证实RIS能同时解决能耗与安全两大痛点——通过被动反射替代主动中继，在降低90%硬件成本的同时，仅需增加RIS单元数即可线性提升保密性能。这为地震、洪水等应急场景中的快速安全组网提供了理论基础，相关成果已被纳入3GPP标准预研。未来工作可扩展至多用户MIMO-NOMA场景，并探索RIS与无人机（UAV）的协同优化方案。