基于RIS辅助的毫米波频段内全双工系统近场物理层安全技术

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：RIS-assisted Near-Field Physical Layer Security for mmWave In-Band Full Duplex Systems

　　

摘要：

为应对毫米波（mmWave）通信中日益严重的窃听威胁——高频信号在传播过程中会受到严重损耗且容易被阻挡——强大的物理层安全（PLS）解决方案至关重要。将可重构智能表面（RIS）的尺寸扩展到非常大的孔径，尤其是在高频情况下，会使通信方式从传统的远场传输转变为近场传输。在这一领域，必须考虑波前的球形特性，信号能量可以被聚焦到有限区域内，从而形成一个“脆弱区域”（VZ），在该区域内，未经授权的接收器会暴露在较高的信号强度下，信号被截获的可能性也会增加；而在焦点区域之外的地方，信号功率会急剧减弱。鉴于脆弱区域带来的安全风险，我们提出了一种基于近场RIS的带内全双工（IBFD）系统，该系统可以在无需了解窃听者位置、信道状态或数量的情况下实现PLS保护。该设计采用了人工噪声（AN）和近场波束聚焦技术，支持机密数据与人工噪声信号的同时双向传输，在保证合法用户服务质量（QoS）的同时增强通信保密性。系统采用了智能的RIS辅助功率控制策略，通过联合配置发射功率和RIS相位偏移，既提高了合法用户的保密性，又抑制了信号向脆弱区域内未经授权接收器的泄露。我们提出了针对三个关键目标的优化问题：最小化总发射功率、最大化最小保密速率（公平性）以及最大化总速率，并研究了RIS尺寸的影响。在严格的QoS约束下，我们推导出了高效的功率分配公式。仿真结果验证了理论分析的准确性，表明所提出的方案能够显著提升通信安全性...

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