人工噪声辅助隐蔽STAR-RIS系统的联合波束赋形与发射功率优化

《Physical Communication》：Joint Beamforming and Transmit Power Optimization for Artificial-Noise-aided Covert STAR-RIS Systems

　　

摘要 我们提出了一种几何驱动的抗噪安全传输方案，用于辅助人工噪声（AN）的隐蔽式同步透射与反射可重构智能表面（STAR-RIS）系统，以缓解当守望者位于透射区时不可避免的能源泄漏所带来的安全威胁。具体而言，我们首先将STAR-RIS重新配置为全孔径反射模式，从空间上抑制朝向透射区的无意能源泄漏。此外，为了最大化系统的隐蔽传输速率，我们建立了一个联合非凸优化问题，该问题同时涉及发射功率分配、主动波束成形、AN预编码以及STAR-RIS的无源相移。基于此，我们提出了一种相应的交替优化（AO）算法，其中首先借助Dinkelbach迭代法和柯西-施瓦茨不等式实现联合主动波束成形与发射功率优化。通过结合半定松弛（SDR）技术，我们实现了精确的AN预编码。随后，我们实现了对STAR-RIS元件的精细相位调整，该调整通过利用一维搜索算法来达成。最后，我们的理论分析验证了算法的单调收敛性，并指出其实现复杂度随硬件维度线性增长。我们还开展了广泛的仿真实验，数值结果表明我们提出的方案显著优于传统的能量分割（ES）算法，并且在理想的几何条件下可达到理论性能上界，这突显了STAR-RIS在提升隐蔽无线传输的容量和可靠性方面具有巨大潜力。需要注意的是，在整个评估过程中采用归一化信道模型，以严格界定所提出的联合波束成形机制的基本理论性能上限，并将其与复杂的环境路径损耗隔离开来。

引言 随着第六代（6G）无线通信技术的发展，实现无处不在的覆盖和超高可靠性已成为未来网络架构的基本目标。然而，无线信道的固有开放性和广播特性使得物理层传输极易受到广泛安全风险的威胁，从非法窃听到蓄意干扰[1], [2]。传统的物理层安全技术主要通过确保被截获的信息无法通过加密或信号处理方法解码来解决内容安全问题[3], [4], [5]。在军事行动或战术情报等高度敏感的场景中，信号存在本身的仅仅是可检测性就可能引发定位攻击或复杂的流量分析。因此，隐蔽通信作为一种实现存在安全的重要新范式应运而生，其目标是将合法信号的存在隐藏于背景噪声之中[6], [7], [8]。通过防止警惕的守望者可靠地区分信号存在与纯热噪声，该技术支持敏感数据交换的低检测概率。因此，探索先进的物理层技术以实现传输保密性与系统效率之间的稳健平衡，对于下一代安全无线系统至关重要[9], [10]。

尽管隐蔽通信提供了较高的安全级别，但由于硬件约束和传播损耗，在实际物理层部署中仍面临重大瓶颈。传统方案主要依赖功率控制或人工噪声（AN）[11], [12]来迷惑守望者，但其性能从根本上受限于平方根定律。受此信息论瓶颈的限制，累积隐蔽传输的比特数仅随信道资源利用率呈平方根增长。因此，在长码字长度区间内，通信速率呈现渐近衰减，最终趋近于零[13], [14]。同时，在复杂的无线环境中，严重的遮挡路径损耗和覆盖盲区往往迫使发射机大幅降低发射功率以避免被检测。这种功率降低会导致合法接收端的信噪比急剧恶化，并可能导致链路中断，使得在6G网络时代传统的发射机功率分配无法满足不同容量隐蔽通信的性能需求[15], [16], [17]。

出于对环境控制增强的迫切需求，研究人员引入了可重构智能表面（RIS）及其高级演进形式——同步透射与反射可重构智能表面（STAR-RIS），从而开辟了空间信号操控的新前沿[18], [19]。智能表面革命性的环境重塑能力不仅改变了射频网络，还推动了光无线系统的物理层突破，例如利用光RIS（ORIS）克服严重的视距（LOS）遮挡，实现可见光定位与通信的集成[20]。通过灵活调节信号的幅度和相位，这些表面能够优化无线传播环境以提升合法用户的接收性能，并有效降低守望者的检测概率[21]。STAR-RIS在反射和透射两个方向上提供的协同可控性进一步拓展了全空间隐蔽通信系统的设计自由度[22]。然而，如何充分利用这些表面的调控能力在增强隐蔽性的同时保障通信可靠性仍然是一个挑战性问题。特别是随着网络拓扑变得更加复杂，这些表面的现有协议在隐蔽场景中暴露出新的安全漏洞。当合法接收机和守望者位于表面两侧时，传统的静态协议会导致严重的能源泄漏问题。基于这一观察，本研究聚焦于合法用户和守望者位于不同侧的复杂拓扑场景，利用硬件的主动关断和模式切换能力，开发一种稳健的安全传输方案，以策略性地抑制泄漏路径，从根本上缓解能源泄漏风险。

为了全面概述现有文献并明确区分我们工作的架构性进步，代表性的基线研究的关键特性、系统配置、先验信道状态信息（CSI）需求以及硬件相位约束已在表1中进行了系统性的总结与分类。以下，我们从不同的技术维度对相关文献进行了详细综述。

1）基于AN与物理层不确定性的隐蔽技术：引入物理层不确定性作为提升隐蔽传输速率的核心手段，已成为突破传统零速率瓶颈的关键策略[11]。早期研究侧重于通过AN为威利（Willie）制造检测歧义，旨在通过精心设计的干扰信号抬高威利的噪声基底，从而掩盖合法信号的存在。研究人员探索了各种AN策略，例如利用外部干扰器[12], [23]提供额外的干扰源。然而，这种方法往往引入了复杂的同步问题和额外的部署成本，使其在实际中难以实施。作为替代方案，部署全双工接收机（Bob）来发送干扰[6], [24], [25]可以避免外部硬件，但要求Bob具备昂贵的自干扰消除（SIC）能力。此外，其干扰功率受限于自身的功率预算，无法维持持续的高功率干扰。对于多天线系统，研究人员利用发射端多天线预编码[26]将AN能量精确导向威利，同时将其限制在合法用户信道的零空间内，从而提升频谱效率。近期工作进一步提出了双功能AN（DFAN）[27]，使其不仅可用作掩护，还可用于环境感知。此外，还探索了新颖的隐蔽机制，例如利用相位不确定性[28]和有限块长度效应[29]，在信息论和物理层编码两个层面增强隐蔽性。然而，这些传统方法严重依赖有利的信道条件。在涉及物理障碍物或远距离传输的复杂电磁环境中，仅依赖AN缺乏空间可重构性，往往不足以保障稳健的隐蔽性。当合法链路被遮挡时，AN的功率无法穿透障碍物到达Bob，导致AN策略失效，从而损害系统性能。

2）RIS辅助的隐蔽环境重塑与拓扑局限性：为规避无线信道的固有随机性以及视距链路对遮挡的易感性，研究人员将RIS集成到隐蔽传输框架中，作为主动定制电磁景观的战略工具[15], [16], [17]。通过战略性地操控其反射元件上的相位分布，RIS促进了间接视距传播路径的创建以绕过物理遮挡，显著提升隐蔽传输速率——这一特性在传统AN方案失效的场景中尤为关键。RIS的应用范围十分广泛；后续研究将其应用扩展到了多输入多输出（MIMO）系统[30]，通过空间自由度进一步提升隐蔽性；在协作网络中[31]，RIS辅助中继节点保障远距离传输的可靠性；同时，RIS也被用于能效优化[32]，平衡隐蔽性与绿色通信的需求。然而，尽管RIS引入了可编程的无线环境，但其固有的"半空间"反射特性带来了一个关键的拓扑缺陷：位于RIS后方（即透射区域）的用户处于覆盖死区，无法接收服务。例如，在城市环境中，如果合法接收机移动到反射面后方，传统的RIS将变得功能失效。这一物理限制严重制约了RIS在处理全空间随机分布的用户和威利时的拓扑灵活性。

3）STAR-RIS驱动的全空间覆盖与性能演进：传统RIS的覆盖瓶颈推动学术界将研究重心转向具备同步透射与反射能力以及全空间操控能力的RIS。STAR-RIS能够同步透射和反射入射信号，实现360°全空间覆盖，从而彻底解决了传统RIS的"死区"问题，并迅速成为隐蔽通信领域的新焦点[8]。Xiao等人[33]建立了STAR-RIS辅助隐蔽通信的基本分析框架，展示了其在增强覆盖方面的巨大潜力。进一步的研究将STAR-RIS应用扩展到复杂的移动场景，例如无人机（UAV）[34], [35]和车联网（V2X）网络[36], [37], [38]，通过灵活的波束控制适应动态信道。为了提升频谱效率，近期文献尝试将STAR-RIS与非正交多址接入（NOMA）[39], [40]、速率分割多址接入（RSMA）[41], [42]或移动边缘计算（MEC）[43]相结合，以实现更高的传输速率和多用户服务。此外，为克服信号经历两跳传播时的"双重衰落"问题，提出了有源STAR-RIS[44], [45], [46]架构，引入外部放大器以进一步增强信号增益和隐蔽性能。STAR-RIS的引入不仅解决了传统RIS的拓扑局限，还为其隐蔽通信提供了前所未有的灵活性。然而，它同时也为高性能隐蔽通信带来了新的挑战。近期，STAR-RIS的部署积极协同新兴的6G多功能架构。例如，文献[47]通过生成式人工智能（AI）驱动的强化学习建立了硬件非理想条件下的节能波束成形设计；文献[48]在扩展目标存在的情况下为混合RIS增强安全网络提出了鲁棒的收发机优化方案。为了释放前所未有的空间移动性，文献[49]进一步引入了一种用于无人机可重构全息表面（RHS）使能的全双工（FD）感知与通信一体化（ISAC）隐蔽系统的协作波束成形与轨迹设计。为了弥合硬件实现的差距，文献[50]进一步引入了一种非对称自编码器框架，用于处理量化相移压缩并有效抑制控制信道信令风暴。然而，尽管这些领先的最前沿工作[47], [48], [49], [50]在提升全空间覆盖或信令压缩方面取得了显著进展，但它们从根本上聚焦于连续相位优化、良性的静态布局，或未探索跨侧拓扑中耦合的物理层泄漏后门问题。这在处理离散硬件约束或跨侧能源泄漏后门时暴露了严重的安全漏洞，这强烈激发了本研究所提出的鲁棒的布局感知型离散资源调度方案。

4）本工作的创新性：与先前工作相比，本工作的核心创新在于综合放宽了多个关键约束并解决了固有矛盾。通过摒弃传统假设，如同侧对称几何布局、静态协议配置和固定传输系数，本工作提出了一种基于全孔径反射和能量聚合与回收设计理念的非对称防御机制。该方法不仅在物理层严格抑制了由跨侧守望者引起的能源泄漏路径，弥补了现有STAR-RIS辅助隐蔽通信框架[51]未能考虑泄漏后门的不足，还通过主动关闭透射模块并将节省的功率导向合法反射信道，在严格功率约束下最大化了系统的隐蔽容量。

本文有效地解决了覆盖能力与隐蔽传输速率之间固有的矛盾。与此同时，本工作通过严格的数学推导，首次刻画了理想几何条件下的性能理论极限，为相关系统的设计提供了精确的理论基准。尽管STAR-RIS为全空间覆盖提供了有前景的硬件基础，但我们观察到，现有研究在应对该架构在隐蔽场景下的固有安全漏洞方面仍显不足。据我们所知，当前研究的局限性主要体现在以下三个方面。首先，大多数现有研究存在严重的能量泄漏风险。尽管STAR-RIS有效地解决了传统RIS固有的覆盖盲区和拓扑灵活性不足的问题，但现有文献主要关注简化拓扑结构，即合法接收机与守密人位于同一侧的场景。这种非对称的单侧视角导致了在用户位于不同侧的场景中，由静态协议引起的固有能量泄漏后门被广泛忽视[51]。由于缺乏针对高风险窃听源、对几何布局敏感的防御策略，信源端的传统功率控制措施失效，因为它们不加区分地同时衰减合法信号增益和非法能量泄漏。因此，合法链路的信噪比会随着隐蔽性的提升而同步恶化，可能导致链路中断，从而迫使系统陷入覆盖全空间能力与隐蔽传输速率之间根本且不可调和的矛盾。其次，现有研究未能严格区分STAR-RIS的主动关断能力与传统RIS的固有硬件限制之间的本质差异。与传统RIS的全反射操作源于静态物理约束不同，STAR-RIS架构能够实现拓扑决策与物理层资源分配之间的深度集成。然而，现有文献忽视了这一潜力，将传输系数仅视为固定的部署参数，而非可回收的能量资源。因此，这些工作未能实现一种主动将已关断传输模块的功率预算重新分配至反射通道的能量聚合机制。由于忽视这一边界最优策略，当前系统无法将能量节约约束转化为有效的抑制能力，而只能被迫依赖低效的信号级补救措施，如过量的AN。这一局限性最终导致它们错失了一个利用拓扑灵活性来将物理泄漏路径与合法传输解耦的关键机会。最后，STAR-RIS辅助隐蔽系统在理想几何条件下的终极理论性能极限仍然未知。现有的鲁棒设计努力集中在不完美CSI下的数值优化上[52]、[53]。这种保守的最坏情况逼近方法所产生的结果，无法为系统性能基准和潜在边界提供精确的理论参考。基于上述研究，我们提出以下贡献：•我们提出了一种对网络几何布局敏感的STAR-RIS辅助隐蔽通信框架，专门针对守密人威利位于传输区域内的高风险配置问题。为缓解此类跨侧场景下传统协议固有的能量泄漏风险，我们引入了一种以能量聚合为核心的安全策略。通过将STAR-RIS重构为全孔径反射模式运行，系统主动抑制朝向传输空间的泄漏路径。关键在于，原本分配给传输元件的功率预算被回收并重新导向反射通道，以最大化合法链路的增益。这种方法有效地将物理安全约束转化为增强传输的机制，从而解决了覆盖灵活性与隐蔽性之间的根本权衡问题。•我们提出了一种基于交替优化（AO）的资源分配方案，联合优化瞬时信息功率、信息波束成形、AN预编码和STAR-RIS相位偏移，从而有效解决了这些变量之间复杂的耦合问题。•我们引入了AN隐蔽功率边界的数值推导方法，并将其应用于STAR-RIS辅助隐蔽通信系统。通过精确刻画阈值功率，该功率边界被显式构造为凸约束，并嵌入到低秩半定规划（SDP）优化框架中，从而为AN预编码与STAR-RIS相位偏移的联合优化提供了可行且稳定的计算基础。•我们量化了STAR-RIS硬件扩展所带来的性能增益，确定了理想几何约束下系统的终极理论性能极限，并验证了联合优化方案对关键系统参数变化的出色鲁棒性。我们承认，获取被动守密人的完美瞬时CSI在实际中是极具挑战性的。然而，作为隐蔽通信文献中的标准做法[15]、[44]、[45]，我们有意采用这一假设以建立所提出的STAR-RIS辅助隐蔽框架的理论性能上限，从而分离出联合主动/被动波束成形和能量聚合所能实现的基本增益。在此理想基准下，最大可达隐蔽速率可被严格量化。关键在于，为了将该理论基准转化为实际部署，我们在第2.2节中显式引入了守密人链路的有界CSI不确定性模型，并在第5节中验证了所提方案对估计误差和离散相位量化的鲁棒性（图3）。这些数值结果表明，在适度非理想条件下，性能退化仍保持较小，从而弥合了理论分析与实际实现之间的差距。需要强调的是，本文提出的分析框架基于完美CSI的假设，旨在严格界定所提系统的终极理论性能上限。所提出的优化框架在结构上自然地可扩展至涉及多Alice、多Bob和分布式STAR-RIS部署的复杂场景，但由于篇幅限制，本文未对此进行讨论。此外，此处提出的联合资源优化不依赖于单一守密人威利的特定假设；因此，推导出的结果同样适用于多守密人或协作守密人场景。尽管考虑不完美CSI或STAR-RIS离散相位偏移会引入非平凡的鲁棒设计问题，但本文的核心分析框架可以通过适当的修改进行扩展。在混合STAR-RIS协议下能量泄漏与隐蔽速率之间权衡的研究也是一个值得进一步探索的方向。本文其余部分组织如下。第2节建立系统网络架构，推导基于Kullback-Leibler（KL）散度的隐蔽约束，并提出一种基于AO的四重融合资源分配方案，以解决非凸耦合问题，该方案集成了Dinkelbach方法、半定松弛（SDR）以及解析干扰解耦搜索方法。第3节提供了算法收敛性和计算复杂性的理论分析。第4节通过穷举Monte Carlo仿真验证了所提方案的有效性，并建立了系统性能上界。最后，第5节对所得洞察进行了全面总结，并概述了进一步促进该领域发展的前瞻性研究方向。章节摘录系统模型如图1所示，我们考虑一个共址分体式无线环境，该环境支撑一个AN辅助隐蔽通信系统，该系统由配置有Nt根天线的多天线发射机Alice、单天线合法接收机Bob、被动单天线守密人Willie以及由M个可重构元件组成的全空间STAR-RIS基础设施构成。系统的核心防御逻辑在于通过交替优化实现联合资源分配与波束成形设计，从而实现合法链路增强和监控链路抑制。值得指出的是，尽管所提框架依赖于通用的AO或块坐标下降（BCD）结构，但联合调度面临着非平凡的独特设计挑战，并涉及为安全6G节点定制的算法创新。在我们的实现中，BCD将原始难以处理的问题分解为三个可管理的子问题：主动波束成形和功率分配（子问题1）、AN预编码（子问题2）和STAR-RIS被动相位偏移。理论收敛性与计算复杂度分析本节对所述算法进行了全面评估，重点在于其理论收敛性与计算效率之间的协同作用。整体分析表明，该框架在性能最优性与实现可行性之间实现了关键平衡。一方面，收敛性分析保证了在高度耦合约束下的运行稳健性，确保单调地向隐蔽传输极限逼近。另一方面仿真设置与策略为了全面评估所提联合优化算法的有效性，我们的仿真采用了两阶段、目标导向的信道处理策略。在第一阶段，采用完全归一化的信道增益方案（L=1.0），以消除大规模路径损耗等环境因素的干扰。这种有意省略距离相关衰减的做法对于理论上界分析至关重要。它确保了观察到的隐蔽速率增长在数据可用性方面，本文不适用数据共享，因为当前研究未生成或分析任何数据集。作者贡献声明张高源：写作–审稿与编辑，写作–原稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。陈凯文：可视化，验证，软件，方法论，数据整理，概念化。姬宝锋：验证，软件，方法论。王卫光：调查研究，形式分析。李义伟：资源，数据整理。郑瑞娟：调查研究，形式分析。郑国强：可视化，验证。严东：资源，调查研究。利益冲突声明作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。张高源|陈凯文|姬宝锋|王卫光|李义伟|郑瑞娟|郑国强|严东