⚡ electrical engineering

Secrecy Rate Maximization in RIS-Assisted MIMO Systems Using a Practical Hardware Model

تقترح هذه الدراسة طريقة التدرج المتجه المسقط التكيفية منخفضة التعقيد لتعظيم معدل السرية في أنظمة MIMO المدعومة بأسطح الانعكاس الذكية (RIS) عبر التحسين المشترك لترميز الإرسال المسبق وإزاحات الطور الخاصة بالسطح تحت نموذج أجهزة عملي يأخذ في الاعتبار المقاومة المتأصلة للعناصر، مما يثبت أن هذا النهج يتفوق على الطرق التقليدية بينما يوفر تقريب فرق قدرة القناة المبسط بديلاً فعالاً من حيث الحوسبة مع أداء يقارب الأداء الأمثل.

المؤلفون الأصليون: Rakesh Ranjan, Ahmad Sirojuddin, Manjesh K. Hanawal, Himanshu B. Mishra, Wan-Jen Huang ID

نُشر 2026-02-20

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Rakesh Ranjan, Ahmad Sirojuddin, Manjesh K. Hanawal, Himanshu B. Mishra, Wan-Jen Huang ID

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تحاول إجراء محادثة سرية مع صديق لك (لنسمّه بوب) في حديقة مزدحمة وصاخبة. لسوء الحظ، هناك جاسوسة (إيف) تقف بالقرب منكما وتحاول التجسس على دردشتكما.

في عالم الاتصالات اللاسلكية، يحدث هذا بالضبط عندما ترسل بيانات. عادةً، نعتمد على "أقفال" رقمية معقدة (التشفير) للحفاظ على أسرارنا. ولكن هذه الورقة البحثية تقترح استراتيجية مختلفة: أمن الطبقة الفيزيائية (Physical Layer Security). بدلاً من مجرد قفل الرسالة، نحاول جعل "الهواء" نفسه ينقل الرسالة بوضوح إلى بوب، بينما يجعلها تبدو كضجيج ساكن (static noise) بالنسبة لإيف.

إليك كيف تحل هذه الورقة المشكلة باستخدام نوع جديد من التكنولوجيا، مشروحة ببساعة.

1. المرآة السحرية (الـ RIS)

لمساعدتك في التحدث إلى بوب، تحضر جهازاً خاصاً يسمى السطح الذكي القابل لإعادة التشكيل (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS). فكر في هذا كجدار ضخم وعالي التقنية مغطى بآلاف المرايا الصغيرة والذكية.

كيف يعمل: عندما يصطدم صوتك (الإشارة) بالجدار، يمكن لهذه المرايا أن تميل وتلتوي فوراً لتعكس الصوت تماماً إلى حيث تريد. يمكنها تركيز الصوت على ببوب وتشتيته بعيداً عن إيف.
الطريقة القديمة: افترضت الأبحاث السابقة أن هذه المرايا كانت مثالية. ظنوا أن المرايا يمكنها عكس 100% من الصوت بغض النظر عن زواياها.
الواقع: يقول مؤلفو هذه الورقة: "انتظروا لحظة! المرايا الحقيقية ليست مثالية". في العالم الحقيقي، تمتلك هذه المرايا الصغيرة القليل من المقاومة الكهربائية (مثل الاحتكاك). عندما تميل هذه المرايا إلى زاوية معينة لتغيير طور الإشارة، فإنها تفقد فعلياً جزءاً صغيراً من الطاقة. وكلما زاد ميلها، زاد فقدانها للطاقة.

2. المشكلة: المرآة "المثالية" مقابل المرآة "الحقيقية"

إذا صممت نظامك بافتراض أن المرايا مثالية (مثالية)، ولكنك بنيته بمرايا حقيقية "تسرب" الطاقة قليلاً، فإن خطتك ستفشل. قد تسمعك الجاسوسة (إيف) بشكل أفضل مما توقعت، أو قد يسمعك صديقك (بوب) بشكل أسوأ مما ينبغي.

تسأل الورقة: "كيف نصمم زوايا هذه المرايا غير المثالية للحفاظ على سرنا آمناً، مع العلم أنها تفقد بعض الطاقة؟"

3. الحل: مدرب ذكي ومتكيف

لحل هذه المشكلة، ابتكر المؤلفون "مدرباً" رياضياً جديداً (خوارزمية) يقوم بشيئين في آن واحد:

يعدّل جهاز الإرسال: يقوم بتعديل كيفية خروج الإشارة من هاتفك (أليس).
يعدّل المرايا: يحدد الزاوية الدقيقة لكل مرآة صغيرة على الجدار، مع العلم أن بعض الزوايا ستتسبب في فقدان طاقة أكبر من غيرها.

يطلقون على هذه الطريقة اسم PGM (طريقة التدرج المسقط - Projected Gradient Method).

التشبيه: تخيل أنك تحاول صعود تلة في الظلام لتجد أعلى قمة (أفضل مستوى للأمان).
- الطريقة القديمة: تأخذ خطوات ضخمة وثابتة. أحياناً تأخذ خطوات واسعة جداً فتسقط من فوق منحدر (ينهار النظام أو يصبح غير مستقر). وأحياناً تأخذ خطوات صغيرة جداً فيستغرق الأمر منك يوماً كاملاً للوصول إلى القمة.
- الطريقة الجديدة (هذه الورقة): لديك مدرب ذكي يشعر بالأرض. إذا كان المنحدر شديد الانحدار، يخبرك المدرب بأن تأخذ خطوات أصغر وأكثر أماناً. وإذا كان المسار مسطحاً، تأخذ خطوات أكبر. كما يتحقق المدرب من كل خطوة للتأكد من أنك تصعد بالفعل (تحسن الأمان) ولست تنزلق للأسفل. إذا انزلقت، يخبرك المدرب فوراً بتقليص حجم خطوتك والمحاولة مرة أخرى.

4. الاختصار: خدعة "فرق القدرة"

إن حل الرياضيات الدقيقة للمحادثة السرية المثالية أمر صعب للغاية وبطيء، مثل محاولة حل مكعب روبيك أثناء التلاعب بالكرات في الهواء.

وجد المؤلفون اختصاراً ذكياً. بدلاً من حساب "معدل السرية" الدقيق في كل مرة، قرروا ببساطة تعظيم الفرق في القدرة (Power Difference) بين ما يسمعه بوب وما تسمعه إيف.

التشبيه: بدلاً من حساب مقدار الرسالة التي يفهمها بوب بالضبط، أنت تحاول فقط جعل مستوى الصوت عند أذن بوب عالياً قدر الإمكان، ومستوى الصوت عند أذن إيف منخفضاً قدر الإمكان.
النتيجة: هذا الاختصار يكاد يكون بجودة الرياضيات المثالية ولكنه يعمل بسرعة أكبر بكافية. إنه يشبه استخدام نظام GPS يعطيك مساراً "جيداً بما يكفي" في ثوانٍ، بدلاً من حساب المسار الرياضي المثالي الذي يستغرق ساعات.

5. ماذا وجدوا؟

أظهرت عمليات المحاكاة في الورقة نتائج مثيرة للاهتمام:

الواقعية تفوز: إذا تجاهلت "التسريب" (المقاومة) الخاص بالمرايا، فإن نظام الأمان الخاص بك سيفشل عند استخدام أجهزة حقيقية. الطريقة الجديدة، التي تأخذ في الاعما حساب هذا "التسريب"، تحافظ على أمان السر حتى عندما لا تكون المرايا مثالية.
السرعة: خوارزمية "المدرب الذكي" الجديدة أسرع بكثير من الطرق القديمة. يمكنها تعديل آلاف المرايا في الوقت الفعلي، وهو أمر بالغ الأهمية لشبكات الجيل السادس (6G) المستقبلية.
المتانة: حتى عندما تكون المرايا "مسربة" جداً (مقاومة عالية)، لا تزال طريقتهم تعمل بشكل أفضل من افتراضات "المرآة المثالية" القديمة.

ملخص

تتعلق هذه الورقة البحثية ببناء محادثة لاسلكية آمنة باستخدام جدار من المرايا الذكية. أدرك المؤلفون أن التصميمات السابقة كانت مثالية للغاية—حيث افترضوا أن المرايا مثالية. ومن خلال الاعتراف بأن المرايا الحقيقية تفقد جزءاً من الطاقة، ابتكروا طريقة أذكى وأسرع وأكثر واقعية للتحكم في تلك المرايا. هذا يضمن وصول رسائلك السرية إلى صديقك بوضوح، بينما لا تسمع الجاسوسة سوى الضجيج، حتى عندما لا تكون الأجهزة مثالية.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "تعظيم معدل السرية في أنظمة MIMO المدعومة بأسطح RIS باستخدام نموذج أجهزة عملي".

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة البحثية تحدي تعظيم معدل السرية (secrecy rate) في نظام اتصالات لاسلكية بنظام تعدد المداخل والمخارج (MIMO) مدعوم بسطح ذكي قابل لإعادة التشكيل (RIS). يتكون النظام من:

أليس (Alice): مرسل متعدد الهوائيات.
بوب (Bob): مستقبل مقصود متعدد الهوائيات (IU).
إيف (Eve): متصنت متعدد الهوائيات (NU).
السطح الذكي (RIS): سطح يحتوي على $M$ من عناصر الانعكاس الخاملة (REs) لدعم عملية الإرسال.

التحدي الجوهري:
تفترض الأدبيات الحالية عادةً نموذج RIS مثالي (عديم الفقد)، حيث يكون مقدار معامل الانعكاس ثابتًا (وحدة المعيار) بغض النظر عن إزاحة الطور. ومع ذلك، في الأجهزة العملية، تمتلك عناصر الانعكاس (REs) مقاومة كهربائية متأصلة. تسبب هذه المقاومة تغيرًا غير خطي في مقدار الانعكاس مع إزاحة الطور، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة وربط متغيرات التصميم (الترميز المسبق للإرسال وإزاحات الطور) ببعضها البعض.

الهدف هو تحسين مصفوفة الترميز المسبق للإرسال ( $\mathbf{T}$ ) و إزاحات طور RIS ( $\boldsymbol{\theta}$ ) بشكل مشترك لتعظيم معدل السرية ( $C_{sec} = R_b - R_e$ ) تحت نموذج أجهزة عملي يأخذ في الاعتبار خسائر المقاومة هذه، مع مراعاة قيود القدرة وحدود إزاحة الطور.

2. المنهجية

تقترح المؤلفة إطار عمل شامل يتضمن نهجين رئيسيين للتحسين:

أ. نمذجة النظام العملي

نموذج انعكاس غير مثالي: تتبنى الورقة نموذجًا قائمًا على الدوائر حيث يكون معامل الانعكاس $\phi_m = \beta_m e^{j\theta_m}$ . مقدار $\beta_m$ هو دالة لإزاحة الطور $\theta_m$ ومقاومة العنصر $R$ .
الاقتران: على عكس النماذج المثالية، فإن المقدار والطور مرتبطان، مما يجعل مشكلة التحسين غير محدبة (non-convex) ومعقدة للغاية.

ب. الحل الأساسي: طريقة التدرج المسقط التكيفية (PGM)

لحل مشكلة تعظيم معدل السرية الدقيقة (وهي غير محدبة)، تقترح المؤلفة خوارزمية تحسين مشترك منخفضة التعقيد باستخدام PGM:

التحديثات المتزامنة: في كل تكرار، يتم تحديث كل من مصفوفة الترميز المسبق $\mathbf{T}$ ومتجه إزاحة الطور $\boldsymbol{\theta}$ بشكل متزامن بناءً على تدرجاتهما الخاصة.
الإسقاط (Projection):
- يتم إسقاط $\mathbf{T}$ لتلبية قيد إجمالي قدرة الإرسال ( $Tr(\mathbf{T}\mathbf{T}^H) \leq P$ ).
- يتم إسقاط $\boldsymbol{\theta}$ لتلبية نطاق إزاحة الطور المتاح ( $\theta_{min} \leq \theta_m \leq \theta_{max}$ ) وعلاقة المقدار والطور غير الخطية.
التحكم في حجم الخطوة التكيفي: لضمان استقرار التقارب ومنع تدهور الأداء، تستخدم الخوارزمية آلية تكيفية؛ فإذا انخفض معدل السرية في تكرار ما، يتم تقليل أحجام الخطوات ( $\nu_t$ و $\nu_\theta$ ). علاوة على ذلك، تم اشتقاق استراتيجيات التهيئة التكيفية لأحجام الخطوات لتسريع عملية التقارب.

ج. الحل شبه الأمثل: تعظيم فرق قدرة القناة (CPDM)

إدراكًا منها بأن حل معدل السرية الدقيق يتطلب جهودًا حسابية مكثفة، تم تقديم مشكلة بديلة مبسطة:

الهدف: تعظيم الفرق في قدرة القناة بين رابط "بوب" ورابط "إيف" ( $P_{diff} = Tr(\mathbf{T}^H (\frac{\hat{H}_b^H \hat{H}_b}{\sigma_b^2} - \frac{\hat{H}_e^H \hat{H}_e}{\sigma_e^2}) \mathbf{T})$ ).
الميزة: يتجنب هذا النهج عمليات محدد المصفوفات المعقدة المطلوبة لحساب معدل السرية الدقيق، مما يقلل التعقيد الحسابي بشكل كبير، ويعمل كحد علوي وثيق عندما تكون القيم الذاتية صغيرة.
الاستخدام: يُستخدم حل CPDM لتوليد نقاط بداية عالية الجودة لخوارزمية PGM الرئيسية.

3. المساهمات الرئيسية

نموذج أجهزة عملي: تعد هذه الدراسة من أوائل الدراسات التي صممت صراحةً المقاومة الكهربائية لعناصر RIS في سياق تعظيم معدل السرية. وقد أثبتت أن تجاهل هذه المقاومة يؤدي إلى تصميمات دون المستوى الأمثل في السيناريوهات الواقعية.
تحسين مشترك منخفض التعقيد: تم تطوير خوارزمية Adaptive PGM مبتكرة تقوم بتحسين $\mathbf{T}$ و $\boldsymbol{\theta}$ بشكل مشترك. وعلى عكس طرق التدرج المتناوب (BCD) التي تتناوب بين المتغيرات، تقوم هذه الطريقة بتحديثهما في وقت واحد، مما يوفر خصائص تقارب أفضل.
آلية حجم الخطوة التكيفية: قدمت الورقة آلية قوية لتهيئة والتحكم في حجم الخطوة، مما قلل زمن الحوسبة بشكل كبير وحسن استقرار التقارب مقارنة بـ PGM ذات حجم الخطوة الثابت.
صياغة CPDM شبه المثالية: توفر صياغة CPDM بديلاً فعالًا حسابيًا للأنظمة واسعة النطاق وتعمل كمبدئ فعال للخوارزمية الرئيسية.
القدرة على التعميم: تم تصميم الخوارزميات المقترحة للعمل مع نماذج RIS المثالية ( $R=0$ ) والعملية ( $R>0$ ) على حد سواء، مما يجعلها متعددة الاستخدامات لمختلف تصميمات الأنظمة.

4. نتائج المحاكاة

أجرى المؤلفون محاكاة واسعة النطاق لمقارنة Practical-PGM المقترحة مع المعايير المرجعية: Ideal-PGM (استخدام النموذج المثالي على أجهزة عملية)، و BCD (التدرج المتناوب)، و Random-RIS، و No-RIS.

تأثير المقاومة: عندما تمتلك الـ RIS مقاومة ( $R=2\Omega$ )، تتفوق Practical-PGm بشكل كبير على Ideal-PGM و BCD. تفشل النماذج المثالية في مراعاة خسائر الانعكاس، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في معدل السرية عند تطبيقها على الأجهزة العملية.
القابلية للتوسع: تظهر خوارزمية PGM المقترحة تعقيدًا خطيًا بالنسبة لعدد عناصر RIS ( $M$ )، بينما تظهر BCD تعقيدًا تربيعيًا ( $O(M^2)$ ). وبناءً على ذلك، فإن PGM أسرع بحوالي رتبة عشرية واحدة في وقت التنفيذ.
كفاءة حجم الخطوة: تحقق PGM ذات حجم الخطوة التكيفي معدلات سرية أعلى وتتقارب بشكل أسرع بكثير من PGM ذات حجم الخطوة الثابت (مثل 0.1، 0.01).
فعالية CPDM: سمحت التهيئة القائمة على CPDM لخوارزمية PGM الرئيسية بالتقارب في عدد أقل من التكرارات (15-20) مقارنة بالتهيئة العشوائية أو الطرق الأخرى مثل SDR، والتي تطلبت (45-60) تكرارًا.
المتانة: مع زيادة المقاومة، ينخفض معدل السرية لجميع المخططات، لكن Practical-PGM تتدهور ببطء أكبر، مما يثبت متانتها ضد عيوب الأجهزة.

5. الأهمية

تعتبر هذه الورقة مهمة لتطوير أمن الطبقة الفيزيائية (PLS) في شبكات 5G/6G لعدة أسباب:

الواقعية: تسد الفجوة بين نماذج RIS النظرية والقيود العملية للأجهزة. وتثبت أن التحسين بناءً على الافتراضات المثالية غير كافٍ للنشر الآمن.
الكفاءة: من خلال توفير خوارزمية منخفضة التعقيد وتكيفية، تجعل عملية التحسين في الوقت الفعلي لمصفوفات RIS واسعة النطاق أمرًا ممكنًا، مما يعالج الاختناق الحسابي للطرق الحالية.
ضمان الأمن: توضح أن مراعاة عيوب الأجهزة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على روابط الاتصال الآمنة، خاصة في سيناريوهات الإرسال عالية القدرة حيث تتسع الفجوة في الأداء بين النماذج المثالية والعملية.

ختامًا، تضع هذه الدراسة إطار عمل قوي وقابل للتوسع للاتصالات الآمنة المدعومة بـ RIS ونظام MIMO، مؤكدة أن نمذجة الأجهزة العملية ضرورية لتحقيق الأداء الأمني الأمثل في الشبكات اللاسلكية من الجيل القادم.