基于RIS辅助的共生无线电技术实现ISASC系统的语义比特共存传输安全保障

《Computer Communications》：Semantic-Bit Coexistence Transmission for Securing ISASC System with RIS-Assisted Symbiotic Radio

　　

摘要

基于传统加密和解密算法的集成感知与语义通信系统，其安全性在很大程度上依赖于传输的密文比特的绝对准确性，而这恰恰削弱了语义通信所具有的强健性和容错能力。为解决这一问题，我们提出了一种基于可重构智能表面辅助的共生无线电技术的语义比特共存传输框架，用以提升物理层安全性能。由于窃听者仅能获取以语义为导向的通信数据，因此可重构智能表面可以通过反射波束成形，将其生成的比特信号调制到输入的语义信号中，从而破坏语义数据的可理解性。具体而言，这种叠加信号能为合法的通信用户带来互利关系，而让窃听者陷入寄生式的干扰状态。基于构建的系统模型，我们在满足比特数据解码和目标感知的最小服务质量要求的前提下，提出了最大化语义保密率的问题。然而，由于该问题具有非凸性以及多个变量之间的强耦合关系，求解过程面临诸多挑战。为进一步改善集成感知与语义通信系统的物理层安全性能，我们引入松弛变量、序列凸近似和半定松弛技术，构建了块坐标下降优化结构，使得各个子问题可通过推导出封闭形式解或等效的凸优化模型来求解。蒙特卡洛仿真结果表明，所提出的方法相较于现有基准方案，能够持续提升语义保密率。

章节要点

引言

在数字化进程加速和智能技术不断发展的当下，第六代移动通信技术已成为推动信息社会未来发展的关键力量。在此背景下，集成感知与通信技术打破了传统通信系统的功能界限，实现了通信功能与环境感知功能的同步执行，为相关应用奠定了坚实基础。

系统与信号模型

如图1所示，我们所研究的集成感知与语义通信系统包含一个具备双重功能的基站、带有反射单元的单天线通信用户、单个潜在窃听者、单天线感知目标，以及一个具备相应反射单元的可重构智能表面。其中，可重构智能表面通过基站向用户进行非视距信息传输，为这些用户提供通信服务。该基站采用全双工工作模式，并配备了天线均匀线性阵列。基站拥有若干根天线，用于实现信号的发射与接收。

语义保密率优化设计及解决方案

为进一步提升基于可重构智能表面辅助的共生无线电技术的语义比特共存传输框架的物理层安全性能，我们通过联合优化多个变量，构建了语义保密率最大化的优化问题。在优化过程中，同时需要满足比特数据解码和目标感知性能方面的质量要求。针对该优化问题的非凸特性，我们设计了基于块坐标下降、序列凸近似和半定松弛技术的迭代求解算法。

仿真结果与统计分析

本节通过数值实验，评估了第三节中提出的算法在可重构智能表面辅助的集成感知与语义通信系统中的性能表现。相关参数的选取参考了[31]、[32]、[33]文献中常用的系统设置。后续仿真进一步分析了各主要参数的影响。基站与可重构智能表面的位置分别为(0m, 0m)和(50m, 0m)，而三个合法用户与窃听者的位置分别为(47m, 17m)、(47m, -17m)。

结论

本文基于可重构智能表面辅助的共生无线电技术，提出了一种用于保障集成感知与语义通信系统语义数据传输安全的语义比特共存传输框架。通过让可重构智能表面将自身的比特信号调制到输入的语义信号上，再将该叠加信号反射给窃听者及其他用户，使得窃听者无法从非视距传输的信号中解码出语义数据，从而降低其对原始语义信息的理解程度。

CRediT作者贡献说明

杨国：文章撰写与修改、研究工作、资金获取、正式分析、数据整理。徐思阳：文章撰写与修改、初稿编写、可视化处理、结果验证、研究工作、资金获取、正式分析、数据整理、概念构建。肖志勋：文章撰写与修改、研究工作、监督指导、方法设计、研究工作。宋欣：文章撰写与修改、研究工作、正式分析、数据整理、概念构建。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关联或个人关系。

Siyang Xu|Yang Guo|Zhixun Xiao|Xin Song