流体天线辅助的无人机协作 NOMA 网络的可靠性与物理层安全

《Physical Communication》：Reliability and Physical-Layer Security of Fluid Antenna-Assisted UAV Cooperative NOMA Networks

　　

**摘要**

智慧城市物联网（IoT）网络依赖于传感器和智能终端的大规模部署，对无线连接、传输可靠性和数据安全提出了严格要求。在密集的城市建筑环境中，下行传输通常因建筑物遮挡和多径衰落而性能下降，而IoT设备有限的物理空间则限制了传统多天线系统的部署。为应对这些挑战，本文研究了一种集成流体天线系统（FAS）、无人机（UAV）协作中继、非正交多址接入（NOMA）和友好干扰的保密下行传输系统。合法用户由配备FAS的智能手机表示，它们与附近的个人物联网设备交互。空间分集通过动态选择最佳预定义端口获得，同时由UAV中继提供辅助传输链路以提高两个合法用户的接收可靠性。同时，采用友好干扰来降低窃听者的解码能力。为表征FAS端口之间的强空间相关性，采用最大增益合并FAS（MGC-FAS）近似进行信道增益分布建模。推导了合法用户中断概率的解析表达式和高信噪比渐近表达式，并给出了拦截概率和保密中断概率的解析表达式。仿真结果与解析结果吻合良好，并表明FAS端口选择提高了密集城市衰落环境中的传输可靠性和保密性能。UAV中继为两个合法用户提供了额外的传输链路，从而提高了它们的接收可靠性并扩展了整体网络覆盖范围，而友好干扰则降低了窃听者的解码能力。

**引言**

在第六代（6G）移动通信和智慧城市技术快速发展的推动下，传感器、智能终端和边缘控制器正被广泛部署于城市基础设施中。这些设备之间持续交换状态信息、控制指令和服务数据，对连接密度、传输可靠性和数据安全提出了越来越严格的要求。多输入多输出（MIMO）技术已被广泛采用以提高频谱效率和通信可靠性[1], [2]。然而，传统MIMO系统通常需要多个天线元件和相应的射频（RF）链路，导致硬件复杂度、能耗和实施成本增加。这些局限性对于智能手机和其他空间受限的IoT终端尤为显著，因为在其内部很难容纳具有足够空间分隔的天线元件[3]。因此，流体天线系统（FAS）作为一种应对这些局限性的有前途的方法应运而生[4], [5], [6]。FAS是一种可重构天线架构，能够在有限的物理区域内于多个预定义端口之间切换其激活位置[7]。通过选择瞬时信道条件最适宜的端口，无线链路可以动态适应传播环境的变化。此外，在给定时刻通常仅激活一个端口并连接至单个射频链路，这减少了所需的射频链路数量及相关的硬件复杂度。这种端口选择机制提供了额外的空间自由度和空间分集增益，从而在不依赖大型固定天线阵列的情况下提高了通信可靠性。

现有研究从基础理论、端口选择、空间相关信道建模和系统级性能分析等多个角度对FAS进行了广泛研究。文献[8]首次将FAS引入无线通信系统，并推导了瑞利衰落信道下用户中断概率的闭合表达式，证明了通过动态端口选择获得空间分集增益的可行性。为降低随预定义端口数量增加而带来的搜索复杂度，文献[9]开发了一种基于机器学习的端口选择算法。由于多个FAS端口通常局限于有限的物理区域内，相应信道往往表现出强空间相关性。为表征这一特性，文献[10]在Nakagami-m衰落下推导了空间相关FAS信道增益的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）的积分表达式，文献[11]则在Rician衰落下推导了相应表达式。在此基础上，文献[12]的作者提出了最大增益合并（MGC）近似，并获得了空间相关Nakagami-m衰落信道下FAS信道增益的闭合CDF，从而简化了后续性能分析。这些信道模型随后被应用于端到端无线通信系统。在文献[13]中，研究了一种在基站采用传统固定位置天线（FPA）、在用户侧采用一维多端口FAS的系统，并推导了中断概率和遍历容量的闭合表达式。

为进一步实现多个智能终端之间有限时频资源的高效共享，FAS与NOMA的集成也吸引了越来越多的研究关注。非正交多址接入（NOMA）允许多个用户共享相同的时频资源，并通过功率域复用和 successive 干扰消除（SIC）来区分其信号，从而提高频谱效率和多用户接入能力[14]。由于FAS可以通过动态端口选择改善用户的瞬时信道条件，将FAS的空间信道自适应能力与NOMA的多用户资源共享能力相结合，有望同时提升链路质量和资源利用率。对于下行多用户FAS-NOMA系统，文献[15]的作者联合优化了波束成形向量和FAS端口选择以减少系统发射功率。研究表明，所提方案在能效方面优于基于传统FPA的NOMA和基于FAS辅助的正交多址（OMA）方案。相关研究随后被扩展到上行开放无线接入网，其中文献[16]和[17]优化了功率分配系数以提高系统总速率。此外，FAS-NOMA还被应用于卫星通信系统[18]，分析了配备FAS的地面终端的中断概率、遍历容量和分集增益。在文献[19]中，研究了一种FAS辅助的协作NOMA系统，在该系统中，中心用户在解码接收信号后协助基站向边缘用户转发信息，边缘用户采用选择合并（SC）处理来自基站和协作用户的信号。推导了两个用户中断概率的精确和渐近表达式，证明了FAS与协作NOMA结合在提高传输可靠性方面的有效性。

然而，由于无线传播的开放和广播特性，FAS-NOMA系统仍然面临潜在的窃听攻击威胁[20]。物理层安全（PLS）技术越来越多地被纳入FAS辅助的通信系统中。在文献[21]和[22]中，研究了配备FAS的合法用户的保密传输系统，并推导了平均保密容量和保密中断概率的闭合表达式。文献[23]研究了一种集成FAS和可重构智能表面（RIS）的保密通信系统，采用块相关模型来表征FAS端口之间的空间相关性，并推导了平均保密容量和保密中断概率（SOP）的近似表达式。文献[24]进一步考虑了实际硬件损伤下FAS、RIS和NOMA的集成，而文献[25]将FAS-NOMA应用于无线供电通信网络，推导了系统SOP的解析表达式。随后，FAS被引入低空通信和空天地网络安全场景。在文献[26]中，联合优化了无人机（UAV）位置和流体天线位置，以在最坏信道条件下提高最小保密速率。文献[27]研究了遭受恶意干扰的低空异构网络，证明了FAS在增强空中链路抗干扰能力方面的潜力。

协作中继和友好干扰作为提高物理层安全的互补技术，已被广泛研究[28], [29]。协作中继提供额外的传输路径以增强合法链路的质量和可靠性，而友好干扰则引入人为干扰以降低窃听者的解码能力。从协作NOMA可靠性的角度来看，文献[30]研究了一种两用户的RIS辅助协作NOMA系统，在小区边缘用户处采用SC以利用直射和协作传输链路，并解析推导了相应的平均块错误率以评估可靠性提升。与传统的固定地面中继相比，UAV具有灵活的部署、高机动性和可调节的覆盖范围，使其适用于在复杂通信环境中建立辅助空地链路。文献[31]开发了若干用于UAV辅助保密中继的传输节点选择策略，表明空中中继可以有效降低保密中断概率。文献[32]将UAV中继与友好干扰进一步结合，其中部分UAV转发机密信息，而其余UAV产生干扰信号以抑制窃听。此外，友好干扰被纳入协作NOMA中，相应的安全性能在文献[33]中进行了分析。该框架随后被扩展到Rician衰落信道[34]，为有或无友好干扰的系统推导了保密中断概率的闭合表达式。结果表明，友好干扰可以显著提高保密性能，且随着干扰功率的增加，增益更大。然而，关于协作中继和友好干扰的大多数现有研究基于传统FPA系统，它们在保密FAS-NOMA网络中的联合使用仍相对缺乏探索。

与所考虑系统最为相关的代表性研究总结于表1中。尽管在FAS辅助的保密通信、协作NOMA传输以及空间相关FAS信道的表征方面已取得显著进展，但这些研究方向在很大程度上被单独研究。具体而言，现有FAS辅助的保密研究主要关注直射链路传输[21], [22], [25]，而协作FAS-NOMA系统通常依赖地面中继[24], [28]。相比之下，基于传统FPA架构的中继辅助保密传输已被广泛研究[29], [31], [32], [33]，其中UAV中继主要在文献[31]和[32]中考虑。此外，在一些现有的协作方案中，中继辅助仅提供给远端用户[24], [31]，而在密集城市环境中严重建筑物遮挡和阴影衰落下的近端用户传输可靠性仍未得到充分研究。友好干扰也很少与FAS辅助的协作NOMA传输联合考虑。因此，一个统一的分析框架，能够联合考虑空间相关FAS接收、UAV协作中继、NOMA传输、直射链路可用性、SC和友好干扰，尚未得到充分建立[35], [36], [37]。

与主要依赖直射传输或地面协作中继的现有FAS-NOMA方案相比，所考虑的框架利用UAV为两个合法用户都提供额外的传输支持，并应用SC以联合利用直射和中继链路。与使用FPA的传统保密UAV中继方案不同，FAS端口选择在不需要多个同时激活的射频链路的情况下提供了额外的空间选择增益。此外，与友好干扰辅助方案不同（在这些方案中人为干扰通常与FAS辅助的协作传输分别研究），多个友好干扰器与FAS使能的UAV协作NOMA集成在一起，以在两个传输时隙上抑制窃听链路。因此，所提框架在一个统一架构内联合利用基于FAS的空间选择、UAV辅助的链路分集和基于友好干扰的保密增强，以提高传输可靠性和保密性能。本文的主要贡献总结如下：

- 建立了统一的FAS辅助UAV协作NOMA保密框架，包含友好干扰，以联合增强合法链路可靠性和抑制窃听。所提架构使两个合法用户都能通过SC利用FAS端口选择以及直射和UAV辅助链路提供的分集，同时多个友好干扰器被用于降低窃听链路性能。
- 在Nakagami-m衰落下表征了预定义FAS端口之间的空间相关性，并采用MGC-FAS近似获得最大端口增益的可处理分布。在考虑NOMA用户间干扰、理想SIC、UAV解码结果和SC的情况下，推导了近端用户和远端用户中断概率（OP）的闭合表达式。此外，通过考虑两个传输时隙中截获的信号，获得了拦截概率（IP）和保密中断概率的解析表达式。
- 推导了OP和SOP的高信噪比（SNR）渐近表达式，以表征所考虑系统的性能行为。这些表达式揭示了发射功率、FAS端口数量、FAS物理尺寸、端口间相关性、Nakagami-m衰落参数和友好干扰参数对系统性能的影响。
- 考虑了若干基准方案，以量化FAS端口选择、UAV协作中继、SC和友好干扰各自的贡献。所提方案通过联合利用基于FAS的空间选择以及直射和UAV辅助链路提供的分集，比所考虑的FAS-NOMA、UAV辅助NOMA和基于FPA的基准方案获得了更低的中断概率。

此外，基准对比表明，无人机中继进一步提升了保密性能，而友好干扰则有效抑制了窃听链路，并缓解了在高信干比区域所观察到的保密中断底限。两者的联合使用在所有所考虑的传输方案中取得了最优的保密性能。本文其余部分组织如下：第二节详细介绍了系统模型、信道衰落模型以及信息传输过程中的其他关键方面。第三节对中断概率和保密中断概率进行了全面分析，包括其精确表达式和渐近近似。随后，第四节采用蒙特卡洛仿真来验证分析结果并评估系统性能。最后，第五节总结了主要结论，第六节讨论了研究的局限性和未来研究方向。

符号说明：Pr(·) 表示概率，E(·) 表示数学期望，????(·) 服从高斯分布，f(·) 表示概率密度函数（PDF），F(·) 表示累积分布函数（CDF）。

系统架构与信号模型

如图1所示，本文考虑了在密集建筑智能城市环境中的一种FAS辅助的无人机协作NOMA保密下行传输系统。单天线地面基站S根据NOMA协议向合法近用户UN和合法远用户UF发送叠加的保密信号。两个合法用户由FAS使能的智能手机表示，这些智能手机与附近的个人物联网设备（如智能手表）进行本地交互。

UN的中断概率

UN可以通过直链路（S → UN）和中继链路（S → R → UN）接收期望信号，并采用选择合并（SC）来选取两个接收分支中较好的一个。在这种情况下，只有当两条链路均失效时，UN才会发生中断。令UN通过直链路成功传输的事件表示为????={???????? ??>????,???????? ??>????}，通过中继链路成功传输的事件表示为????={???????? ??>????,???????? ??>????,???????? ??>????}。相应地，UN处的中断概率可表示为：????=[1?Pr(????)

仿真结果

本节通过数值仿真验证所推导的分析表达式，并评估所考虑的智能城市物联网下行的可靠性与保密性能。合法用户由FAS使能的智能手机表示，这些智能手机通过广域无线链路与基站和无人机通信，同时与附近的个人物联网设备进行本地交互。为确保中断概率、截获概率和保密中断概率估计的准确性，进行了5×10^5次独立信道

结论

本文针对智能城市物联网通信，研究了一种采用友好干扰的FAS辅助无人机协作NOMA保密下行框架。地面基站向两部FAS使能的智能手机发送保密NOMA信号，而半双工解码转发无人机提供了一条额外的传输链路，多个友好干扰器则抑制了窃听链路。采用了MGC-FAS近似来表征FAS端口之间的空间相关性。

讨论与未来工作

A. 局限性。本文建立的解析框架依赖于若干理想化假设以保持解析可行性。尽管这些假设便于表征所考虑的FAS辅助无人机协作NOMA网络的可靠性和物理层安全（PLS）性能，但可能限制了所得结果对实际系统的直接适用性。主要局限性总结如下：

- 完美信道状态信息和成功干扰消除：分析是在完美信道状态信息（CSI）条件下进行的。

CRediT作者贡献声明

Haiyan Huang：撰写——原稿撰写。Lijun He：撰写——原稿撰写。Linlin Liang：撰写——审阅与编辑。Hongsheng Zhang：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

在撰写本文的过程中，作者使用了ChatGPT进行语言润色和语法修正。作者对输出内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的竞争财务利益或个人关系。

Haiyan Huang | Lijun He | Linlin Liang | Hongsheng Zhang