团队介绍：依托陕西省信息通信网络及安全重点实验室，西安邮电大学通信与信息工程学院戈艺萌副教授在有源可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助无人机安全通信领域开展系统研究，提出一种针对抖动无人机空地安全传输的鲁棒设计方案。该方案聚焦无人机抖动特性对安全通信性能的核心影响，以及无源RIS存在的“双衰落”效应导致的性能增益有限的难点，通过引入有源RIS构建了最小化机载基站发射功率的优化问题。通过优化机载基站预编码矩阵和有源RIS反射系数，利用有源RIS的功率放大特性补偿远距离空地链路和非理想信道特性引起的传输损耗。同时，将该优化问题分解为发射端预编码与RIS反射系数两个子问题，并采用交替优化方法求解。实验结果表明，该方案在保证用户安全通信速率的前提下，能大幅降低无人机机载基站的发射功率。与无源RIS方案相比，即使采用较少的反射单元，也能在无人机抖动影响下表现出更优的保密性能。这一成果可广泛应用于低空经济中无人机测绘、物流及应急通信等需保障数据安全的场景。
有源可重构智能表面辅助抖动无人机空地安全通信方案
戈艺萌1,2，刘浩宇1,2，万鹏武1,2，刘伯阳1,2，刘超文1,2，任 远1,2
(1. 西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710121；2. 陕西省信息通信网络及安全重点实验室，陕西 西安 710121)
摘 要：针对随机气流和无人机 (Unmanned Aerial Vehicles，UAV) 机体振动引起的抖动影响 UAV 安全通信性能的问题，提出一种基于有源可重构智能表面 (Reconfigurable Intelligence Surface，RIS) 的辅助抖动 UAV 空地安全通信方案。该方案采用泰勒展开的线性近似方法表征仰角和方位角变化所产生的信道误差，在用户保密速率约束下，优化 UAV 机载基站的预编码矩阵和有源 RIS 的反射系数，以最小化机载基站的发射功率。将对应的优化问题分解为发射端预编码矩阵和有源 RIS 反射系数优化两个子问题，并通过交替优化方法求解。仿真结果表明，所提方案可以使 UAV 机载基站的发射功率在 UAV 抖动量为 0.02 的情况下降低 10 倍，能够在 UAV 抖动情况下保障用户安全通信速率。
关键词：有源可重构智能表面；安全通信；鲁棒波束赋形；交替优化方法；无人机抖动
中图分类号：TN929.5；TP18
文献标志码：A
文章编号：2095-6533 (2025) 04-0029-10
Active reconfigurable intelligent surface assisted secure air-to-ground communication scheme with UAV jittering
GE Yimeng1,2,LIU Haoyu1,2,WAN Pengwu1,2,LIU Boyang1,2,LIU Chaowen1,2,REN Yuan1,2
(1.School of Communications and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Information Communication Network and Security,Xi’an 710121,China)
Abstract:For the problem of the impact of random airflow and unmanned aerial vehicle (UAV) body vibration on UAV safety communication performance,an auxiliary shaking UAV air-to-ground safety communication scheme based on active reconfigurable intelligence surface (RIS) is proposed.This scheme uses the Taylor expansion linear approximation method to characterize the channel errors caused by changes in elevation and azimuth angles.Under the constraint of user secrecy rate,the precoding matrix of the UAV airborne base station and the reflection coefficient of the active RIS are optimized to minimize the transmission power of the airborne base station.The corresponding optimization problem is decomposed into two sub problems:the precoding matrix at the transmitting end and the optimization of the active RIS reflection coefficient,which are solved through alternating optimization methods.Simulation results show that the proposed scheme can ensure the safe communication rate of users in UAV under 0.02 shaking conditions,and reduce the transmission power of UAV airborne base stations by 10 times under small UAV jittering.
Keywords:active reconfigurable intelligence surface;secure communications;robust beamforming;alternating optimization method;unmanned aerial vehicle jittering
基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目 (24JK0668)
作者简介：戈艺萌 (1993—)，女，陕西咸阳人，博士，西安邮电大学副教授，主要研究方向为无线通信与信息安全。E-mail：gym0415@xupt.edu.cn
刘浩宇 (2000—)，男，陕西咸阳人，西安邮电大学硕士研究生，主要研究方向为无线通信与信息安全。E-mail：LHY@stu.xupt.edu.cn
引文格式：戈艺萌,刘浩宇,万鹏武,等.有源可重构智能表面辅助抖动无人机空地安全通信方案[J].西安邮电大学学报,2025,30(4):29-38.
GE Y M,LIU H Y,WAN P W,et al.Active reconfigurable intelligent surface assisted secure air-to-ground communication scheme with UAV jittering [J].Journal of Xi’an University of Posts and Telecommunications,2025,30 (4):29-38.