考虑硬件缺陷的RIS辅助ISAC系统的联合鲁棒波束成形设计

集成感知与通信系统中硬件损伤下的物理层安全优化与RIS辅助方案研究，提出联合优化人工噪声与RIS反射系数的算法，通过SCA和SDR解决非凸问题，有效抑制硬件损伤导致的干扰与信息泄露。

张新宇|钟丽娟|李世堂|周彦萍|曹建斌|李春风

江苏师范大学物理与电子工程学院，中国徐州221116

摘要

在实际的无线系统中，收发器硬件缺陷（HWIs）会引入额外的噪声和非线性失真，从而导致物理层安全性能的下降。在集成感知与通信（ISAC）系统中，携带通信信息的传输波形容易受到感知目标的窃听。为了解决这一挑战，本文研究了一种可重构智能表面（RIS）辅助的ISAC系统，该系统考虑了发射机和接收机的硬件缺陷。为了增强物理层安全性并减少信息泄露给未经授权的用户，我们提出在特定条件下策略性地注入人工噪声（AN），以降低潜在窃听者的信号质量。具体来说，我们构建了一个联合优化问题，涉及感知波束成形、人工噪声设计和RIS反射系数，旨在在满足总发射功率、最小通信速率、最小雷达感知信噪比（SINR）和单位模反射系数的约束条件下，最大化可实现的保密速率。为了解决这个非凸问题，我们首先进行了等效变换，并将其分解为两个非凸子问题。然后应用连续凸逼近（SCA）和半定松弛（SDR）将子问题近似为凸程序。最后，开发了一种交替优化（AO）算法来高效解决重构的问题。仿真结果表明，所提出的方案有效地减轻了由硬件缺陷引起的性能下降，并在干扰整形和隐私保护之间实现了最佳平衡，优于不考虑AN、RIS或硬件缺陷的传统方案。

引言

集成感知与通信（ISAC）作为6G网络的核心使能技术，为自动驾驶和智慧城市等新兴应用提供了高效的技术支持。它通过共享的硬件平台和频谱资源实现了环境感知任务和通信功能[1]。然而，这种融合引入了关键的安全挑战：雷达感知波形本质上携带通信符号，为恶意目标在波束扫描过程中截获机密信息提供了机会[2]。因此，物理层安全（PLS）已成为ISAC系统不可或缺的组成部分，其中人工噪声（AN）注入和波束成形优化是防止窃听的主要对策[3]。可重构智能表面（RIS）[4] [5]的引入进一步增强了PLS的能力。通过智能反射器动态重构电磁传播环境，RIS显著提高了合法用户的信号强度，同时抑制了信息泄露[6]。

RIS技术通过可编程的电磁属性操控提供了对无线信道的前所未有的控制。在吴和张的开创性工作中[7]，首次展示了RIS提高频谱效率的潜力，展示了如何通过优化的相移矩阵克服阻塞链路。Basar等人[8]进一步探索了RIS在安全通信中的应用，提出了基于相位调制的PLS加密机制，大幅降低了窃听者的信道容量。王等人[9]将这项研究扩展到多用户MISO场景，设计了一种分布式RIS架构，在16用户系统中实现了85%的干扰抑制。

随着对RIS研究的兴趣增长，主动RIS技术作为超越传统被动反射的突破性技术应运而生。通过集成主动放大器，它增强了反射信号强度。孙等人[10]开发了一种结合延迟对齐调制和主动RIS的太赫兹波段ISAC系统联合方案。这种方法在保证最小目标照射功率的同时，将保密速率提高了36.7%。值得注意的是，这些研究普遍假设了理想的硬件条件，忽略了由硬件缺陷（HWI）引起的相移误差和噪声放大效应。

现有研究存在一个根本性的局限性——它通常假设收发器硬件是理想的，忽视了实际系统中不可避免的HWI问题[11]。在现实场景中，功率放大器非线性、I/Q不平衡和相位噪声等缺陷引入了失真噪声，其功率与信号功率成正比。这导致SINR下降和安全传输速率的不可逆损失。在ISAC系统中，这种影响尤为严重。一方面，雷达感知需要高功率传输，这放大了失真效应；另一方面，感知功能要求高灵敏度接收，使系统更容易受到噪声的影响。更严重的是，硬件缺陷可能会削弱AN的干扰效果，甚至无意中增加信息泄露，从而使传统的物理层安全机制失效[12]，[13]。

与此同时，ISAC安全研究已经从基本波形设计发展到联合优化多个系统维度以抵抗窃听的鲁棒波束成形策略。张等人[14]提出了一种联合雷达-通信波形设计，既最小化了窃听者的信道容量，又保持了雷达检测概率。杨等人[15]首次将AN引入基于NOMA的ISAC系统，展示了其在干扰窃听者和增强目标检测中的双重作用。通过结合预编码优化和人工干扰，他们显著提高了多用户的保密速率，而没有牺牲感知性能。针对感知窃听者的威胁，李等人[16]提出了在硬件缺陷和不确定环境信息下的隐蔽和安全波束成形设计。他们的设计同时考虑了通信速率、感知精度和传输保密性，揭示了通信和感知性能之间的权衡。然而，这些研究主要关注基站侧的优化，未能利用环境可重构技术来补偿信道缺陷。

因此，RIS与ISAC结合成为了一个前沿的研究方向[17]。徐等人[18]开创了一种RIS辅助的ISAC模型，通过构建虚拟视距（LoS）链接来增强覆盖范围。他们的结果显示，在非视距（NLoS）条件下，通信速率提高了2.3倍，感知精度提高了41%。楚等人[19]提出了一个安全的RIS辅助ISAC框架，联合优化了波束成形和接收滤波器，将雷达感知性能提高了大约2 dB，同时确保了通信安全。值得注意的是，李等人[20]设计了一种在服务质量和服务功率约束下最大化感知互信息的RIS辅助ISAC系统。他们开发了一种迭代波束成形算法，显著增强了感知能力和波束模式性能。周等人[21]通过引入随机RIS反射模式进一步增强了抗窃听能力，干扰了窃听者的信道估计。Alkhateeb等人在毫米波场景中进行了空中实验，表明128元素的RIS可以将感知窃听者的比特错误率提高到0.45以上。尽管这些结果很有前景，但现有的RIS-ISAC研究仍然忽略了硬件缺陷的影响，并未解决失真噪声和人工噪声之间的耦合问题。Björnson等人[23]严格分析了在收发器失真下的信道容量，并证明当失真系数（${\kappa }_t,{\kappa }_r$）超过0.03时，保密速率下降了40%以上，而且这种下降无法通过增加发射功率来补偿。这种脆弱性对ISAC系统尤其有害，因为雷达感知通常对SINR有严格的限制，进一步加剧了失真信号成分向潜在感知窃听者的泄露。同时，[24]中的研究提出了一种基于主动防御的毫米波波束成形方案，并为ISAC系统开发了一种主动防御机制，有效防止了波束窃取攻击，进一步增强了抗窃听能力和通信安全。然而，这些工作主要关注理想硬件条件或特定攻击模型，没有考虑实际系统中硬件缺陷造成的严重性能下降。

为了弥合这一差距，本文提出了一种考虑硬件缺陷的RIS辅助ISAC系统，该系统在收发器HWIs下最大化保密速率。我们在雷达SNIR、用户QoS、发射功率和RIS元素单位模的约束下，联合优化了波束成形、人工噪声和RIS反射系数。主要贡献包括：

首先，我们建立了一个包括多天线基站（BS）、单天线用户、感知窃听者的综合系统模型，并明确考虑了发射机和接收机的HWIs。我们设计了增强AN的RIS波束成形，使合法用户能够通过连续干扰消除（SIC）解码，尽管存在硬件失真。

其次，我们构建了一个非凸的最大-最小保密速率优化问题。为了解决这个问题，我们将其分解为两个子问题——波束成形/AN和RIS配置——并应用了连续凸逼近（SCA）、半定松弛（SDR）和交替优化（AO）技术。

最后，我们进行了广泛的仿真，证明所提出的方案在高SINR和严重硬件缺陷的情况下显著优于基线方法（不使用AN、不使用RIS和不考虑HWI建模），证实了其实际适用性。

章节片段

系统模型和问题构建

如图1所示，我们考虑了一个RIS辅助的下行MU-MISO（多用户多输入单输出）ISAC通信系统。该系统由一个具有$N_t$个均匀线性阵列（ULA）天线的双功能雷达-通信（DFRC）基站（BS）、一个具有$M$个反射元素的RIS、一个窃听者，以及$K$个合法单天线用户组成，用户由集合$K=\{1,2,\; \dots ,K$索引。在这个通信系统中，考虑了所有用户的硬件缺陷。RIS是

问题解决和算法设计

在本节中，我们专注于优化问题（9）。考虑到涉及变量之间的相互依赖性，AO算法是管理变量耦合的合适选择。此外，为了解决非凸约束，可以使用等效变换来重新描述变量。具体来说，我们首先重新定义了原始问题，然后在AO框架内将其分解为两个子问题。通过重构目标函数和非凸约束，我们

仿真结果

在本节中，我们对RIS辅助ISAC系统提出的PLS方案进行了数值评估，考虑了硬件缺陷，信号接收过程的关键在于信道建模。我们考虑了多个链路的信道衰落特性，特别是从BS到IRS、从IRS到用户以及从BS到IRS的信道。每个信道包括视距（LoS）和非视距（NLoS）成分，这些成分都进行了建模

结论

在本文中，我们研究了一种RIS辅助ISAC系统的PLS方案。为了解决硬件缺陷和潜在窃听者带来的挑战，我们联合优化了基站的发射波束成形和RIS的反射波束成形，并结合了AN以进一步增强保密性能。考虑到问题的非凸性质，我们采用了SCA框架，其中使用泰勒级数展开和SDR来迭代解决问题

CRediT作者贡献声明

张新宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。钟丽娟：可视化，验证。李世堂：形式分析，概念化。周彦萍：形式分析，数据管理。曹建斌：项目管理，方法论。李春风：软件，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（U25B2007）和国家重点研发计划（2024YFC3807900）、江苏省高等教育机构基础科学（自然科学）研究重大项目（24KJA510004）、国家自然科学基金（62171119和62471152）、江苏省重点研发计划（BE2021013-3）以及春晖计划国际合作的支持