基于RIS辅助的无人机安全通信方案研究：抗主动干扰与被动窃听的综合优化
一、作者与发表信息
本文由Yixin Shang（澳门科技大学计算机科学与工程学院）、Yuyang Peng（澳门科技大学计算机科学与工程学院，IEEE高级会员）、Runlong Ye（澳门科技大学）及Juho Lee（三星电子研究院，IEEE Fellow）共同完成，发表于2024年11月的《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》（第25卷第11期）。研究获澳门科技发展基金（项目编号0108/2020/A3、0079/2023/ITP2）支持。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于无线通信物理层安全（Physical Layer Security, PLS）领域，聚焦无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）通信中的抗干扰与抗窃听技术。
研究动机：无人机因其灵活的部署能力和强视距（Line-of-Sight, LOS）信道特性，易受恶意干扰器（Jammer）和窃听者（Eavesdropper）攻击。传统加密技术面临解密技术进步的安全威胁，而可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）通过动态重构无线传播环境，为提升安全通信性能提供了新思路。
研究目标：提出一种RIS辅助的无人机上行链路安全通信方案，通过联合优化地面用户发射功率、RIS相位偏移及无人机轨迹，最大化系统平均保密速率（Average Secrecy Rate, ASR），以应对主动干扰和被动窃听的双重威胁。
三、研究方法与流程
1. 系统建模与问题构建
- 场景设计：如图1所示，地面用户通过RIS反射信道向无人机发送机密信息，同时存在一个干扰器和一个窃听者。
- 信道模型：
- 合法信道：包含用户-无人机直射链路和用户-RIS-无人机反射链路。
- 窃听信道：用户-窃听者直射链路和用户-RIS-窃听者反射链路。
- 干扰信道：干扰器-无人机直射链路和干扰器-RIS-无人机反射链路。
- 优化问题（P1）：最大化ASR，约束条件包括RIS相位偏移范围、无人机轨迹连续性及用户功率限制。
2. 问题分解与求解
由于问题（P1）的非凸性和变量耦合，研究采用交替优化（Alternative Optimization, AO）框架，将原问题分解为三个子问题：
- 子问题1（P2）：发射功率优化
- 方法：在固定RIS相位和无人机轨迹下，利用连续凸近似（Successive Convex Approximation, SCA）将非凸目标函数转化为凸问题，通过CVX工具求解。
- 子问题2（P3）：RIS相位优化
- 挑战：相位偏移的模约束导致非凸性。
- 方法：引入半定松弛（Semidefinite Relaxation, SDR）和高斯随机化（Gaussian Randomization）处理秩一约束，结合SCA逼近目标函数。
- 子问题3（P6）：无人机轨迹优化
- 方法：通过引入松弛变量和SCA技术，将非凸距离项转化为线性形式，迭代优化无人机位置以避开干扰器并接近用户。
3. 算法流程（Algorithm 1）
- 初始化：设定初始相位、功率、轨迹及收敛阈值ϵ。
- 迭代优化：依次求解P2、P5、P9，更新变量直至ASR收敛。
- 复杂度分析：算法整体复杂度为多项式级别，主要来自SDR和SCA的多次迭代。
四、主要研究结果
1. 仿真验证
- 收敛性：如图2所示，算法在7次迭代内收敛，且ASR随无人机飞行时间（T）增加显著提升（T=65s时最优）。
- RIS性能增益：图4显示，RIS单元数增至14时，ASR超越无RIS基准方案，验证RIS通过优化反射链路增强合法信号、抑制干扰的作用。
- 抗干扰能力：图5表明，即使干扰功率增至30mW，优化后的方案仍能通过动态调整功率和轨迹维持较高ASR。
2. 无人机轨迹分析
- 避干扰策略：如图3所示，无人机在飞行中主动远离干扰器（如T=58s时绕行），同时尽可能悬停于用户上空以最大化信道增益。
- 功率分配：图7-8显示，无人机接近干扰器时降低发射功率以减少信息泄露，接近用户时提升功率以增强保密速率。
五、研究结论与价值
科学价值：
1. 理论创新：提出首个联合优化RIS相位、功率与无人机轨迹的三变量抗干扰-窃听框架，为非凸问题求解提供新思路。
2. 技术贡献：开发基于AO-SCA-SDR的高效算法，解决复杂耦合约束下的ASR最大化问题。
应用价值：为未来6G网络中RIS辅助的无人机安全通信（如应急救灾、军事侦察）提供实用化设计指南。
六、研究亮点
1. 多威胁应对：首次在RIS-UAV系统中同时对抗主动干扰和被动窃听，扩展了物理层安全的研究边界。
2. 动态优化：通过实时调整无人机轨迹与RIS反射模式，实现环境自适应的安全传输。
3. 性能突破：仿真显示ASR较基线方案提升超过200%（T=65s，RIS单元=14），显著优于固定RIS或无RIS方案。
七、其他发现
- RIS部署意义：研究表明，RIS单元数需达到阈值（如14个）才能抵消其引入的额外窃听风险（图4）。
- 能量效率权衡：长飞行时间（T=65s）虽提高ASR，但需考虑无人机续航限制，未来可结合能量收集技术进一步优化。
（注：全文引用文献42篇，涵盖UAV通信、RIS技术及物理层安全领域的最新进展。）