用于主动红外辅助安全定向调制网络的联合功率分配与波束成形

《Science China-Information Sciences》：Joint power allocation and beamforming for active IRS-aided secure directional modulation network

本研究提出了一种新型主动IRS-aided DM系统，通过联合优化功率分配、发射和接收波束成形及IRS相位偏移矩阵，有效克服双衰落效应，并设计出基于SCA与舒尔补的高性能方案、低复杂度EAR-MM方案以及单天线接收的交替优化方案，仿真表明其在相同功率约束下保密速率提升显著。

　　

摘要

为了提高传统定向调制（DM）网络的保密率（SR），并克服被动智能反射表面（IRS）级联信道的“双重衰落”效应，本研究提出了一种新型的主动IRS辅助DM系统，该系统在发射机和主动IRS之间采用了功率调节策略。通过联合优化功率分配（PA）因子、发射波束成形、接收波束成形以及主动IRS的反射波束成形，并在IRS功率约束条件下，实现了SR的最大化。为了解决这个非凸优化问题，提出了一种基于连续凸逼近（SCA）和舒尔补数的高性能SR最大化方案，称为Max-SR-SS：该方案利用导数运算来优化PA因子，采用广义瑞利-里兹定理来推导接收波束成形，并利用SCA策略来设计发射波束成形和IRS相位偏移矩阵。为了降低计算复杂度，还开发了一种基于等幅度反射（EAR）和最大化-最小化（MM）的低复杂度SR最大化方案，称为Max-SR-EM：该方案分别利用EAR和MM方法来确定IRS相位偏移矩阵的幅度和相位。特别地，当接收机配备单天线时，提出了一种基于交替优化的SR最大化方案，称为Max-SR-AO：该方案通过分数规划和SCA算法来确定PA因子、发射波束成形和反射波束成形。仿真结果表明，在相同的功率约束下，所提出的方案相比固定PA和被动IRS方案具有更高的SR增益。