基于RIS-UAV协作的车载通信系统安全传输研究.pdf
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1、基于 RIS-UAV 协作的车载通信系统安全传输研究张晓烁1,倪唯一2,肖海林1,3*(1.桂林电子科技大学认知无线电与信号处理教育部重点实验室广西桂林541004;2.长春理工大学电子信息工程学院长春130022;3.湖北大学计算机与信息工程学院武汉430062)【摘要】针对城市复杂的交通环境导致车载通网络信息传输安全性低、数据速率缓慢以及地面中继受限等问题,提出一种可重构智能表面(RIS)辅助无人机(UAV)中继协作的车载通信系统安全传输方案。该方案首先根据系统平均传输速率最大化来设计无人机轨迹优化问题。接着,通过引入松弛变量的序列凸规划交替迭代算法解决无人机轨迹的非凸问题,得到平均速率最
2、大化的 UAV 飞行轨迹。最后,通过适当调整 RIS 与窃听用户之间的位置来降低窃听信道容量,改善无线传输环境。数值分析表明,优化无人机轨迹,可以得到最优平均传输速率。在 RIS 技术辅助下通过合理设置参数,该传输方案能有效提高通信系统的传输速率,同时也能保证安全性能。关键词物理层安全;可重构智能表面;安全中断概率;无人机中继;车载通信系统中图分类号TN929.5文献标志码Adoi:10.12178/1001-0548.2022142SecureTransmissionSchemeforV ehicularCommunicationwithRIS-UAVRelayCooperationZHAN
3、GXiaoshuo1,NIWeiyi2,andXIAOHailin1,3*(1.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnologyGuilinGuangxi541004;2.SchoolofElectronicInformationEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnologyChangchun130022;3.SchoolofComputerScienceandInformationEngineeri
4、ng,HubeiUniversityWuhan430062)Abstract The complex urban traffic environment leads to problems of low information transmissionsecurity,slowdatarate,andlimitedgroundrelayinvehicularcommunicationnetwork.AsecuretransmissionschemeforvehicularcommunicationschemeisproposedwithRIS-assisted(reconfigurablein
5、telligentsurface-assisted)unmanned aerial vehicle(UAV)relay cooperation.In this scheme,the UAV trajectory optimizationproblemisdesignedaccordingtothemaximumaveragetransmissionrateofthesystem.Andthen,thenon-convexproblemoftheUAVtrajectoryissolvedbyintroducingasequentialconvexprogrammingalternatingite
6、rativealgorithmofrelaxedvariables,whichyieldstheUAVflighttrajectoryofthemaximizingaveragetransmissionrate.Finally,thecapacityoftheeavesdroppingchannelcanbereducedbyproperlyadjustingthepositionbetweentheRISandtheeavesdroppinguser,andthewirelesstransmissionenvironmentcanbeimproved.Numericalanalysissho
7、wsthatthemaximumaveragetransmissionratecanbeobtainedbyoptimizingthetrajectoryoftheUAV.WiththeassistanceofRIS,theproposedsecuretransmissionschemecaneffectivelyimprovethetransmissionrateofthecommunicationsystemandensurethesafetyperformancethoughreasonableparametersettings.Key words physical layer secu
8、rity;reconfigurable intelligent surface;secrecy outage probability;unmannedaerialvehiclerelaycooperation;vehicularcommunicationsystem随着 5G 通信的迅速发展,车联网(vehicle-to-everything,V2X)中的车辆可以与海量设备建立通信,实现更安全、低廉、智能、互联和自主的交通系统1。为保证海量设备的接入不影响车辆与其他网络节点之间的通信,V2X 对时延、功耗和覆盖能力都有着严格的要求。因此如何实现低功耗、高收稿日期:20220512;修回日期:2
9、0220708基金项目:国家自然科学基金(61872406);2021 年度湖北省高校优秀中青年科技创新团队项目(T2021001)作者简介:张晓烁(1996),博士生,主要从事车载通信技术方面的研究.*通信作者:肖海林,E-mail:xhl_第52卷第4期电子科技大学学报Vol.52No.42023 年 7 月JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaJul.2023可靠性和低延迟数据传输成为未来车载通信网络发展的关键2。大规模多输入多输出(multipleinputmultipleoutput,MIMO)技术可满足
10、5G 无线网络更高的吞吐量及低接入延迟的需求3,但其应用也面临着硬件复杂度和成本高的问题。并且车载通信系统中车辆快速变化的拓扑结构以及开放的传输环境使得车联网的安全防护非常困难4,大量车载用户的信息容易受到恶意用户攻击,导致车载用户数据信息被窃取。因此,亟需新的且低成本高效益的安全方案来防止传输信息被窃听5。可重构智能表面(reconfigurableintelligentsurface,RIS)与现有技术如放大转发(amplify-and-forward,AF)中继相比,RIS 以全双工(full-duplex,FD)模式工作,不会产生自干扰和热噪声,而且其硬件成本和能耗大大降低6。RIS
11、因其绿色、高频谱和能源效率且具有成本效益等优点成为 5G 无线通信网络新技术。此外,还可以作为绿色干扰协作车载无线通信,使物理层安全(physicallayersecurity,PLS)技术更加高效,是提高 PLS 技术性能的有效解决方案。在城市交通环境中,大规模天线的位置和配置变化使得传播链路更加复杂,为克服无线通信系统传输场景中某些不可控因素的影响,利用 RIS 自由调控智能反射面的高度以及大量价格低廉的反射元件改变无线传播环境,进而达到提高信道容量、降低点对点通信功耗以及提高频谱效率的目的7,还可以通过控制无线传播环境使信号朝着目标方向反射,提升信息传输的安全性和可靠性8。文献 9研究
12、RIS 辅助无线通信系统存在窃听用户情况下的保密性能,以量化使用 RIS 在保密中断概率方面获得的增益。由于 RIS 无需使用发射射频链且仅在短距离内运行,因此将 RIS 技术应用于无线通信环境中,应严格解决因传输距离较远造成车载通信无直接传输能力节点的问题,可以采用中继协作技术来提高通信网络的覆盖能力和通信质量10-11。文献 10分析 RIS 充当中继器的 V2V 通信和 RIS 充当接收器的 V2I 场景的情况,以安全中断概率(secrecyoutageprobability,SOP)为目标建立优化函数,导出 SOP 闭式表达式,提高了无线系统的安全性能。文献 11 研究了存在窃听者的情
13、况下,在瑞利衰落信道上分析了 FD 中继辅助 RIS 无线通信的PLS 性能,推导出的分析封闭形式和渐近 SOP 显示利用 RIS 增强了无线通信系统的保密性能。车载通信系统中引入辅助无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)来克服高楼遮挡等复杂地形的影响,使通信基站和远距离车辆可以间接通信12。且 UAV 可以为空地通信建立视距(line-of-sight,LoS)无线链路,相较传统的非视距(non-line-of-sight,NLoS)地面通信,系统性能得到了显著的提升。同时 UAV 部署方便,可以与任意节点灵活通信13。文献 14 采用基于级联通道设计的线性预编码器,对
14、 RIS 处的相移进行优化,提出交替算法来迭代更新 RIS 的相移,进而解决潜在的相移优化问题,以达到存在被动窃听者的情况下最大化可实现保密率的目的。然而,UAV 与地面节点之间 LoS传输的理想信道模型明显局限于特殊场景,不适用于复杂的城市交通环境。文献 15 分析了复杂城市场景下的保密率最大化问题,提出交替优化和逐次凸逼近方法的迭代算法作为解决方案,该方案提高了系统保密性能。但是,UAV 机动性使得信道状态信息(channelstatusinformation,CSI)极易改变,由此文献 16 研究了在不完美信道状态信息下,由 RIS 辅助毫米波无人机通信中的数据安全传输。利用深度确定性策
15、略梯度框架,提出了一种全新且有效的双 DDPG(deepdeterministicpolicygradient)深度强化学习算法。通过对 UAV 的主动波束形成、RIS 元素的系数和 UAV 轨迹共同设计,最大化所有合法用户的总保密率。但上述 UAV 并未作为中继建立用户之间的通信,无法实现更大的覆盖范围和更高的系统容量。而随着未来智能交通系统(intelligenttransportationsystem,ITS)中可视化的更多功能升级、更高级服务的支持,5G 网络设备大规模的接入必然会消耗车载通信网络更多的频谱和时间资源。综合以上考虑,针对车载通信设备数量的大幅增加使得车载网络信息传输速率
16、降低,以及固定的 UAV 中继在位置选择灵活度上存在缺陷等问题,采用移动的 UAV 作为中继,在传输功率固定的情况下,提出一种以提高车载传输速率为目标的交替迭代算法来优化 UAV 中继轨迹。首先,该算法根据平均传输速率最大化的轨迹设计得到一个非凸优化问题;其次,采用序列凸规划(sequentialconvexprogramming,SCP)的方法并引入松弛变量来解决非凸问题;最终计算得到平均传输速率最大化的 UAV 飞行轨迹。此外,针对车载通信系统存在安全威胁的问题,提出一种 RIS 辅助 UAV 中继车载通信系统的安全传输方案,通过降低窃听用户540电子科技大学学报第52卷信道容量来降低系统
17、 SOP,从而达到实现信息安全传输的目的。1系统模型SDMRSDSERSDSESRRDEREESRRDDSRRDRRR(xd,yd,0)(0,0,0)Z(xRm,yRm,z)R(xn,yn,H)TRIS 辅助 UAV 协作通信系统如图 1 所示,固定的基站作为发送端,由 表示。假设车辆行驶在极其拥堵的交通道路上,E 车辆为窃听车辆用户,其他车辆均为合法车辆用户,用 表示,RIS 模块含有个反射单元。其中,采用移动的 UAV 作为中继,图中用 表示。同时假设 和、和 之间的通信链路被高楼完全遮挡,通过 建立 和、和 之间的通信。因此,到 之间的链路、到RIS 之间的链路、RIS 到之间的链路以及
18、 RIS 到之间的链路均可以建立通信。其中部署 RIS 也可充当绿色干扰来反射 的信号给,从而降低 窃听合法用户信息的能力。在整个通信过程中 将以广播的形式将信息解码转发给,之后 采用相同的频带将接收的信息传给,此过程中经过 RIS 反射面反射给。为了方便起见,假设 和 以及 和均处在视距范围内,通信系统中的多普勒效应在RIS 辅助无人机协作通信过程中得到充分补偿。此外,由于 的移动性,通信网络可视为拓扑不可预测的网络,因此通过将 飞行的高度设定为高于实际通信场景中建筑物遮挡的高度,利用 的受控移动性来改变网络拓扑以满足信息共享需求。在不失一般性的前提下,采用以米为单位的三维笛卡尔三维坐标系准
19、确表示各个通信节点的位置信息,并且这些位置信息对于 UAV 而言是完全已知的。车辆用户和地面基站的坐标被分别表示为,。RIS 部署在 高度,其坐标为。三维坐标为,其飞行时间为。SRRISE图1RIS 辅助无人机协作通信系统模型1.1无人机轨迹优化模型基于无人机中继协作车载通信三维模型如图 2d(d D)RmSDRSS=(0,0,0)DuRmxxRmyxyZRHRRRT所示。在图 2 笛卡尔三维坐标系中,表示地面车辆用户,表示智能反射面。假设 和均配置一根天线,工作模式为半双工(half-duplex,HD)。配备一根收天线和一根发天线,执行DF 协议,协议工作模式为 FD。将 作为笛卡尔三维坐
20、标系的原点,。令行驶在一个矩形的区域中,将此区域的中心点标记为。设与所处的平面且和地面相互垂直的交线记为坐标系的 轴,在水平地面上垂直于 轴和所在平面的方向记为坐标系的 轴,与 轴和 轴所组成的平面相互垂直的方向且与原点相交记为为坐标系的轴。由上文可知,飞行在高度为的固定平面上。为方便计算,忽略 起飞过程与降落过程所消耗的时间,仅考虑 在空中平稳飞行的时间,将在空中平稳飞行的总时间记为。YZ(xd,yd,0)Rm(xRm,yRm,Z)R(xn,yn,H)(0,0,0)SDX图2无人机辅助的车载通信系统的三维坐标系RHTNtT=NttNRNxn,ynNn=1nR(xn,yn)Rn(xn,yn,H
21、)n+1(xn+1,yn+1,H)DD=(xdn,ydn,0)ZRm=(xRm,yRm,z)RmM飞行在高度为的平面上,将整个飞行通信时间 均分成份,每份时间长度用 表示,即。假设 足够小,且能够确保在份时隙内,均可以视为静止状态。将横坐标和纵坐标离散化为个序列,即,第 个通信时隙的横、纵坐标值可以表示为。在第 个通信时隙中的三维坐标表示为,在第个时隙中三维坐标表示为。的坐标值可以表示为。RIS 部署在 高度,其坐标为,上包含一个智能控制器和个反射单元,其中控制器可以用来将接收到的信号以可调相移方式反射。Rd在相邻时隙内,飞行的距离 表示为:d=(xn+1xn)2+(yn+1yn)2(1)Rv
22、在每个时隙内,的飞行速度 可表示为:第 4 期张晓烁,等:基于 RIS-UAV 协作的车载通信系统安全传输研究541v=(xn+1xn)2+(yn+1yn)2tn=1,2,N1(2)RDnRR,DnSRn1RS,Rn1与 在第 个通信时隙内的信息传输速率记为,与 第个时隙内的信息传输速率记为,其中:RR,Dn RS,Rn1n=1,2,N1,N(3)RVmaxRV=VmaxtR假设 的最大飞行速度用来表示,即 的最大飞行距离为,的约束条件表示为:(x1x0)2+(y1y0)2 V2(xn+1xn)2+(yn+1yn)2 V2n=1,2,N1(xFxN)2+(yFyN)2 V2(4)V1=VDma
23、xtDVDmaxDuD式中,表示 在通信过程中最大的运动距离;为在通信过程中最大的运行速度。对于地面区域 内 的约束条件如下:(xd1xd0)2+(yd1yd0)2 V21(xdn+1xdn)2+(ydn+1ydn)2 V21n=1,N1(xdFxdN)2+(ydFydN)2 V21(5)nSRSRhsrn在时隙,从 到 的信道功率遵循自由空间路径损耗,从 到 链路的路径损耗表示如下:hsrn=0d2srn=0H2+x2n+y2nn=1,2,N(6)0d0=10dsrn=H2+x2n+y2nSRn式中,记为m 处的信道功率;天线增益和载波频率等因素决定了的取值;为 和 之间在时隙 处的连接距离
24、。1.2RIS 辅助车载安全通信模型考虑到在车载通信过程中恶意车辆用户对车载通信信息进行窃听攻击以及篡改等情况,给信息安全传输构成威胁。通过将 RIS 技术引入无人机协作的车载通信系统,来保证数据信息传输到车载节点的可靠性和完整性,最终实现通信系统信息的安全高效传输。图 3 为 RIS 辅助 UAV 中继信息安全传输的简化模型。SRRmDE第二传输阶段第一传输阶段图3RIS 辅助无人机中继安全通信系统模型第一传输阶段:R端接收信号如下:yR(t)=Pshs,rnx(t)+nr(t)(7)PsS式中,表示 的发送功率;nr(t)表示 S 到 R 的高斯白噪声。R在 端信息的信干噪比(signal
25、tointerferenceplusnoiseratio,SINR)表示为:R=Ps|hs,rn|22R(8)xSR根据式(8)可得到信号 从 传输到 的信道容量为:Csx=12log21+PR|hs,rn|22R(9)第二传输阶段:xRmRmDRmDD首先,将信号 从 转发到第 个 RIS()和。然后,将信号反射给。因此,接收的信号为:yD=Mi=1hrniejrnigDiPRx+nD(10)PRRPS=PRMrniRmihrnigDiRRISRISDhrni=d/2RRmrniejrnigDi=d/2RmDdiejdidRRmdRmDRRISRISDrnidirnidi式中,表示 的转发功
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