摘要
随着5G系统的广泛部署和移动通信技术的迅速发展，安全通信的重要性也日渐提高。相比于传统的物理层安全技术，智能反射面（Intelligent Reflecting Surface, IRS）技术能够利用有效的波束成形设计来提高合法端的接收功率，同时抑制对潜在窃听者的信息泄漏，被广泛地应用于各种安全通信场景中。目前，大多数 IRS 辅助的物理层安全研究主要考虑将其安装在建筑物的表面，但这仅对位于其前半空间的用户有效；同时，对于复杂的城市环境，这类IRS也很难与地面用户建立直接的视距 (Line-of-sight, LoS) 链路。本文针对复杂的城市移动环境，利用无人机（Unmanned aerial vehicle, UAV）灵活的移动性、低成本和易于部署等优点，提出了UAV机载IRS辅助的移动网络安全通信方案，并进一步考虑了移动场景下的多普勒频移和窃听位置非完美估计等影响，重点开展空中智能反射面（Aerial Intelligent Reflecting Surface, AIRS）辅助的移动网络物理层安全研究。本文主要研究内容与创新点如下： （1）针对复杂的城市移动环境，考虑到IRS位置部署的局限性、LoS链路难以建立以及多普勒频移对信道的影响，提出了AIRS辅助的移动网络物理层安全研究方案。其中，IRS被安装在UAV上，通过灵活地调整AIRS的轨迹和相移来跟踪移动用户，以提供更安全的通信服务。为了提高系统的平均保密率，该方案在IRS相移和UAV机动性约束下，对IRS波束成形设计和UAV三维（Three-dimensional, 3D）飞行轨迹进行联合优化。为了更有效地处理该非凸问题，本文首先将原有的优化问题拆分为两个子问题，然后采用连续凸逼近（Successive convex approximation, SCA）和相位对齐的方法对这两个子问题进行凸形式的转化来求解。在每次迭代中，推导出了 IRS 波束成形矩阵和 UAV 3D 轨迹的封闭表达式。仿真数值结果显示，与传统的地面 IRS 方案和 UAV 二维（ Two-dimensional, 2D）轨迹设计相比，本文所提出的 AIRS 辅助的移动网络物理层安全方案可以显著提高系统的保密率。 （2）在研究内容（1）的基础上，针对在实际场景中，移动窃听者位置信息不易完美估计，从而提出了联合双UAV和IRS的移动网络物理层安全研究方案。其中安装 IRS 的机载 UAV-S 帮助源点向合法移动用户传输机密信息，而干扰UAV-J 则负责发送人工噪声（Artificial Noise, AN）来对移动窃听者进行干扰。该方案在满足 IRS 的相移、UAV 的机动性和安全性等约束下，对双 UAV 3D 轨迹和 IRS 波束成形设计进行联合优化，从而实现系统最坏场景下的平均保密率最大化。为了解决该非凸优化问题，本文将原优化问题拆解为三个子问题，然后采用S-程序，几何理论和SCA方法将这三个子问题进行凸形式的转化来求解。仿真的数值结果显示，与基准方案相比，本文提出的联合双UAV和IRS的移动网络物理层安全研究方案有效地提高了系统的性能。
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