无线供能零功率智能反射面赋能的两阶段隐蔽通信

《Physical Communication》：Wireless-powered zeRIS-enabled two-phase covert communication

　　

## 摘要

为促进绿色高性能隐蔽通信，本文研究了零能耗可重构智能表面（zeRIS）辅助的两阶段隐蔽通信系统。具体而言，在第一阶段，电源基站无线地向发射机、干扰机和zeRIS输送射频能量。所收集的能量分别在第二阶段用于隐蔽传输、协同干扰以及zeRIS的自维持运行。进一步引入了zeRIS的两种经典工作模式以提升系统的可靠性和隐蔽性。考虑到实际的非线性能量收集（EH）模型，推导了连接中断概率、有效传输速率、最优检测阈值和最小检测错误概率的闭式表达式。同时进行了渐近分析以揭示非线性EH模型的饱和特性。此外，在隐蔽性和EH约束条件下，建立了时隙分配优化问题以最大化系统的有效传输速率。对于模式一，采用黄金分割搜索求解优化问题；对于模式二，解析推导了最优解，两种解均通过穷举搜索进行了验证。仿真结果表明了可靠性与隐蔽性之间的内在性能权衡，并验证了所提出的zeRIS辅助方案在提升无线隐蔽通信整体性能方面的优越性。

## 引言

第六代无线网络预计将提供超高数据速率、海量连接和无处不在的覆盖，同时支持具有严格时延、可靠性和安全性要求的大量新兴应用。然而，无线信道的固有开放性使得传输极易受到恶意对手的拦截和检测。基于传统密码学的安全机制虽然在更高层有效，但日益受到量子计算快速发展和低成本软件无线电普及的挑战[1]。这推动了物理层技术的探索，以补充上层安全措施。其中，隐蔽通信作为一种特别有吸引力的范式脱颖而出，其目标不仅是保护传输消息的内容，还要向守卫隐藏传输的存在性，从而实现低检测概率[2]、[3]。然而，在真实无线环境中实现有效隐蔽性根本受制于信道不确定性、噪声限制以及对友好干扰的需求，这推动了先进可重构传播控制技术的部署。

可重构智能表面（RIS）已成为未来无线网络的变革性技术，它通过采用大量低成本无源反射元件来操纵入射电磁波的幅度和相位，从而重塑无线传播环境。通过在发射机和接收机之间建立可编程反射链路，RIS提供了高波束成形增益，显著提高了系统的可达速率[4]、覆盖范围[5]和能效[6]。作为6G的关键使能技术，RIS已引起广泛的研究关注，涵盖其结构设计、控制方法和实际部署考虑[7]、[8]、[9]。值得注意的是，RIS已被证明是物理层安全和隐蔽通信的有力使能者，因为它可以增强合法信号的接收，同时降低或掩盖非预期接收[10]、[11]。

近期研究探索了近场、多用户和共生无线电场景下的RIS辅助隐蔽通信，揭示了优化的RIS反射系数能显著增强隐蔽性。例如，文献[12]的作者利用高斯泊松过程建模干扰器位置，并提出了一种新的隐蔽通信检测算法。文献[13]分析了在存在和不存在直接传输链路场景下，部署具有离散相移的RIS所实现的隐蔽通信性能增益。在文献[14]中，针对RIS辅助的多用户隐蔽通信系统，建立了在多种约束下最大化隐蔽速率的优化问题，并提出了一种两步迭代联合设计算法。此外，文献[15]提出了RIS与无线供电干扰机联合辅助隐蔽通信的方案。为降低优化复杂度，文献[16]的作者将RIS划分为子表面，联合优化波束成形和相位配置以最大化隐蔽速率。随后，文献[17]设计了面向环境反向散射通信系统的分段RIS辅助隐蔽通信方法，而文献[18]提出了无人机-可重构全息表面辅助全双工感知与通信一体化系统的创新隐蔽传输框架。尽管取得了这些进展，但上述所有工作都假设RIS由电池或有源连接等外部电源供电，这严重限制了其部署灵活性和运行寿命，尤其是在偏远或难以到达的区域。

为解决RIS的能量可持续性问题，文献[19]提出了零能耗RIS（zeRIS）的概念，其中每个反射元件都配备了射频到直流（RF-to-DC）转换器，从入射电磁波中收集能量以维持其运行。这一创新方法实现了能耗的完全自给自足，消除了对电池或有源电源连接的依赖，从而显著提高了部署灵活性和运行寿命[20]、[21]。对于zeRIS启用的通信系统，文献[22]通过联合优化功率分配比、主动波束成形和RIS系数，求解了最小化发射功率的问题。在文献[23]中，为zeRIS辅助通信系统提出了三种工作模式，以及新的性能指标，即联合中断概率、联合拦截概率和安全能效，用于评估系统的安全性、可靠性和能效。然而，在以上研究中，zeRIS主要用于增强系统的安全性和可靠性，其用于隐蔽通信的潜力尚未被探索。

本文研究了一种zeRIS辅助的两阶段隐蔽通信系统，其中电源基站（PS）在能量传输（ET）阶段为能量受限的发射机、协同干扰机和zeRIS无线供电。所收集的能量在信息传输（IT）阶段用于隐蔽信号传输、人工噪声生成和zeRIS的自维持运行。我们的工作与先前研究[15]和[23]不同。首先，所提出的zeRIS辅助隐蔽通信系统考虑了更实际的非线性能量收集（EH）模型，而那些研究采用了线性EH模型。其次，zeRIS可以通过EH实现自维持运行，而[15]中使用的是传统RIS。最后，本文研究的是隐蔽性能，而[23]评估的是安全性能。本文的主要贡献总结如下：

- 为增强通信可靠性和隐蔽性，设计了一种zeRIS辅助的两阶段隐蔽通信方案，其中引入了zeRIS的两种工作模式。
- 考虑典型的Nakagami-m衰落信道和实际非线性EH模型，推导了合法接收机处的连接中断概率（COP）和有效传输速率的闭式表达式，以及守卫处的虚警概率、漏检概率、最优检测阈值和最小检测错误概率，用于评估系统的可靠性和隐蔽性。
- 在隐蔽性和EH约束下，通过优化时隙分配比建立了有效传输速率最大化问题。对于模式一，采用黄金分割搜索并验证了其最优性；对于模式二，推导了闭式最优时隙分配比。
- 仿真结果验证了理论分析，并揭示了可靠性与隐蔽性之间的内在权衡。此外，与基准方案相比，所提出的zeRIS辅助方案在增强无线隐蔽通信方面取得了优越的整体性能。

本文其余部分组织如下。第2节描述了系统模型、两阶段通信方案和zeRIS的工作模式。第3节分析了系统的可靠性和隐蔽性指标。第4节给出了数值结果。第5节得出结论。

## 场景与假设

如图1所示，考虑了一个由无线供电zeRIS辅助的两阶段隐蔽通信系统。所提出的架构特别适用于对抗环境中的军事行动，其中友方单位需要在不依赖固定电力基础设施或不暴露其位置的情况下实现隐蔽连接。系统由zeRIS、PS、能量受限发射机（Alice）、合法接收机（Bob）、能量受限的友好干扰机（Jammer）组成。

## 性能分析

本节分析两种工作模式下系统的可靠性和隐蔽性。首先推导Bob处的COP以表征有效传输速率。然后通过推导虚警概率、漏检概率和检测错误概率以及最优检测阈值来研究Willie的检测性能。最后，求解受隐蔽性、EH和物理约束的优化问题以确定最优时隙分配。

## 仿真结果

本节给出数值结果以评估所研究系统的可靠性和隐蔽性，并通过仿真验证理论分析。除非另有说明，仿真参数设置如下：PS发射功率P=60 dBm，zeRIS反射元件数量K=10，时隙分配比ρ=0.5，节点间距离dmn=50 m，衰落参数φmn=2，路径损耗指数α=2.5，EH电路参数c1=

## 结论

本文研究了一种zeRIS辅助的两阶段绿色隐蔽通信系统。在ET阶段，无线射频能量被收集用于支持隐蔽传输、协同干扰和zeRIS自维持运行。在IT阶段，采用两种zeRIS工作模式以增强可靠性和隐蔽性。在实际非线性EH模型下，推导了包括COP、有效传输速率、最优检测阈值和最小检测错误概率等关键指标的闭式表达式。

## 伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

## CRediT作者贡献声明

Rui Ma：写作–审阅与编辑，验证，方法论，概念化。Peixue Yu：写作–审阅与编辑，验证，软件。Peng Yin：写作–审阅与编辑，软件。Tuanwei Tian：写作–审阅与编辑，指导。Hao Deng：写作–审阅与编辑。Jinlong Zhang：写作–审阅与编辑。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

Rui Ma | Peixue Yu | Peng Yin | Tuanwei Tian | Hao Deng | Jinlong Zhang