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智能反射表面(Intelligent Reflective Surface,IRS)是未来第六代无线通信技术的新兴范式,其可改变无线通信传输环境的特性近两年得到广泛关注。IRS可有效提升空间调制系统的数据传输速率,而在数据交互量轰炸式增长的信息时代,人们也越来越关注通信安全,IRS使能物理层安全在节省能源消耗的同时能够辅助提高传输安全。本文研究IRS在单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)安全传输系统和上行安全空间调制中的应用,主要内容可叙述如下:1.IRS使能的SISO系统存在单天线发射端空域自由度受限,多天线安全波束成形技术无法适用等问题。以此为背景,本文重点关注IRS使能SISO传输系统面临的全场景窃听威胁,提出面向发射端加扰与IRS端辅助扰动对消设计的两种安全传输方案,分别为基于随机矢量合成(Random Vector Synthesize,RVS)和基于随机扰动对齐(Random Perturbation Alignment,RPA)的IRS使能SISO安全传输方案,以实现保密信号安全传输。在高斯输入条件下,本文分析并评估了IRS使能SISO安全传输系统可达保密性能,并针对IRS与窃听端之间是否存在传输连接的最差与理想窃听模型,分别分析采用不同实现复杂度的IRS反射方案时,RVS-IRS-SISO与RPA-IRS-SISO系统的可达遍历安全速率,以及安全中断概率。2.有限字符集输入的IRS使能上行通信系统中,用户仅依靠单天线传输信号,存在保密信息易于失窃的风险。本文分别提出两种IRS上行安全空间调制策略:其一,面向用户端发射待合成信号,IRS端基于矢量合成原理在基站端指定天线处形成反射图案。其二,提出IRS使能多径信号的预先相位对齐再合成设计,使得基站端可完成基带比特与空域比特的高可靠解调。针对上述两种策略,本文分别设计不同实现复杂度的IRS反射方案。此外,本文为满足检测性能和检测复杂度之间的不同设计侧重,引入了最大似然检测(Maximum-Likelihood Detection,MLD)算法和一种次优检测算法。本文考虑基站端获得完美信道状态信息,IRS端面向独立阵元设计反射方案,接收信号检测采用最大似然检测的理想情况,研究并分析了不同窃听场景下,基站端与窃听端的可达平均误比特率性能,以及它们的可达离散输入连续输出无记忆信道(Discrete-input Continuous-output Memoryless Channel,DCMC)容量性能,同时基于矩生成函数方法给出误比特率与DCMC容量性能的通用性能分析框架。

关键词：智能反射表面物理层安全安全空间调制反射方案性能分析

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