⚡ electrical engineering

Tertiary-Mode STAR-RIS for Secure NOMA: Integrating Transmission, Reflection, and Jamming

Dit artikel onderzoekt de fysieke-laagbeveiliging van een NOMA-systeem dat wordt ondersteund door een STAR-RIS met een tertiaire modus die transmissie, reflectie en jamming gelijktijdig uitvoert, en presenteert een straffingsgebaseerd alternatief optimalisatie-algoritme dat de bereikbare som-rate en geheime prestaties aanzienlijk verbetert ten opzichte van conventionele benchmarks.

Oorspronkelijke auteurs: Mansi Nema, Kuntal Deka, Sanjeev Sharma, Tharmalingam Ratnarajah

Gepubliceerd 2026-03-31

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Mansi Nema, Kuntal Deka, Sanjeev Sharma, Tharmalingam Ratnarajah

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een groot feest organiseert in een drukke stad. Je wilt dat twee vrienden (User 1 en User 2) aan de andere kant van een hoge muur kunnen luisteren naar jouw muziek, maar er zit ook een luisteraap (Eve) in de buurt die probeert mee te horen wat je zegt.

In de wereld van draadloze communicatie (zoals 5G en de toekomstige 6G) is deze "muur" een probleem. Signalen kunnen er niet doorheen, of ze worden geblokkeerd door gebouwen.

Hier komt dit wetenschappelijke artikel over een slimme technologie genaamd STAR-RIS (een soort "slimme spiegel") en hoe die samenwerkt met een slimme muziekverdeling (NOMA) om je gesprek veilig te houden.

Hier is de uitleg in gewone taal, met een paar creatieve vergelijkingen:

1. De Slimme Muur (STAR-RIS)

Normaal gesproken zijn "slimme spiegels" (RIS) zoals gewone spiegels: ze kunnen alleen licht (of radiosignalen) weerkaatsen. Als je aan de andere kant van de muur staat, zie je de spiegel niet en krijg je geen signaal.

De STAR-RIS in dit artikel is echter een magische, driedelige muur:

De Weerkaatsende Deel: Net als een gewone spiegel, stuurt hij signalen terug naar de ene kant.
De Transparante Deel: Hij kan signalen ook doorgelaten (transmitteren) naar de andere kant, alsof de muur daar een raam is.
De Stoorzender (Jamming): Dit is het nieuwe, slimme deel. Een deel van de muur kan actief ruis of "storing" uitzenden. Het is alsof de muur een luidruchtige radio aanzet die alleen de luisteraap verstoort, maar je vrienden niet.

2. De Muziekverdeling (NOMA)

Je hebt twee vrienden die naar je luisteren. In de oude wereld kreeg je vriend 1 zijn muziek, en dan vriend 2. Maar in dit systeem (NOMA) stuur je allebei tegelijkertijd.

Je vriend 1 (die dichter bij je staat) is slim genoeg om eerst het geluid van vriend 2 te filteren en weg te gooien, zodat hij zijn eigen muziek helder kan horen.
Je vriend 2 (die aan de andere kant van de muur zit) hoort alleen zijn eigen muziek, omdat hij niet hoeft te filteren.

3. Het Probleem: De Luisteraap (Eve)

Er zit een luisteraap (Eve) aan de kant van vriend 2. Hij probeert je geheime gesprek te horen. Als je gewoon je muziek harder zet, hoort hij het ook harder.

4. De Oplossing: De "Tertiaire" Strategie

De auteurs van dit artikel hebben een slim plan bedacht. Ze laten de muur (STAR-RIS) niet alleen maar reflecteren of doorlaten, maar ze laten hem dynamisch kiezen wat hij doet, per klein stukje van de muur:

Sommige stukjes werken als een spiegel (voor vriend 1).
Sommige stukjes werken als een raam (voor vriend 2).
En sommige stukjes werken als een stoorzender (voor de luisteraap).

De analogie:
Stel je voor dat de luisteraap probeert je gesprek te horen door een raam te gluren.

De spiegel-delen van de muur zorgen dat je vriend 1 je goed hoort.
De raam-delen zorgen dat je vriend 2 je goed hoort.
De stoorzender-delen gooien een gordijn voor het raam van de luisteraap en zetten tegelijkertijd een luidruchtige radio aan in zijn kamer. Hij kan je niet meer horen, maar je vrienden wel.

5. De Slimme Computer (De Algorithmes)

Het moeilijke deel is: Welk stukje van de muur moet wat doen? En hoe hard moet je praten?
Als je dit verkeerd doet, horen je vrienden je niet, of hoort de luisteraap je wel.

De auteurs hebben een slimme computer bedacht (een algoritme) die dit in een splitseconde uitrekent. Het is als een dirigent die:

Kijkt waar de luisteraap zit.
Zegt: "Jij (stukje muur 1), wees een spiegel! Jij (stukje muur 2), wees een raam! En jij (stukje muur 3), maak lawaai!"
Zorgt dat de muziek perfect verdeeld wordt tussen je vrienden.

Wat zeggen de resultaten?

De simulaties in het artikel tonen aan dat dit systeem:

Veel beter werkt dan oude systemen zonder slimme muren.
Veel beter werkt dan systemen die alleen maar spiegelen (geen raam) of alleen maar doorlaten.
Veilig is: Door de "stoorzender"-functie wordt de kans dat de luisteraap iets hoort drastisch verkleind.
Efficiënt is: Hoe meer stukjes je op de muur hebt (hoe groter de muur), hoe beter het werkt, maar na een bepaalde grootte wordt het minder belangrijk (net als dat je niet oneindig meer ramen nodig hebt als je muur al heel groot is).

Conclusie

Kortom: Dit artikel beschrijft een nieuwe manier om draadloze netwerken te beveiligen. In plaats van alleen maar te proberen je gesprek te verbergen, gebruiken ze een slimme, magische muur die geluid doorlaat, weerkaatst én tegelijkertijd ruis maakt om de spionnen te verwarren. Het is alsof je een gesprek voert in een kamer waar de muren zelf beslissen wie er mag luisteren en wie er een oorverdovend geluid moet horen.

Titel: Tertiaire-Mode STAR-RIS voor Veilige NOMA: Integratie van Transmissie, Reflectie en Jamming

1. Probleemstelling

Deze studie richt zich op de uitdagingen van fysieke-laagbeveiliging (Physical Layer Security - PLS) in next-generation draadloze netwerken (6G). Traditionele Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) werken alleen in reflectiemodus en kunnen gebruikers slechts aan één kant van het oppervlak bedienen, wat de dekking beperkt in dichtbevolkte of niet-lijn-van-zicht (NLoS) omgevingen.

Hoewel Simultaneously Transmitting and Reflecting RIS (STAR-RIS) deze dekkingproblemen oplost door signalen zowel te reflecteren als te transmittieren, gebruiken de meeste bestaande studies protocollen zoals Energy Splitting (ES) of Time Switching (TS). Deze protocollen splitsen de elementen in de tijd of energie, wat de flexibiliteit beperkt in dynamische omgevingen.

Het specifieke probleem dat in dit artikel wordt aangepakt, is het optimaliseren van een NOMA-systeem (Non-Orthogonal Multiple Access) met een multi-antenne basisstation (BS) en twee legale gebruikers aan weerszijden van een STAR-RIS, in aanwezigheid van een luisteraar (Eve). De uitdaging ligt in het gelijktijdig maximaliseren van de totale doorvoer (sum-rate) en het garanderen van beveiliging tegen de eavesdropper, waarbij de STAR-RIS-elementen dynamisch kunnen schakelen tussen drie modi: reflectie, transmissie en jamming.

2. Methodologie

De auteurs stellen een geavanceerd optimalisatiekader voor dat de volgende componenten omvat:

Systeemmodel:
- Een MISO-NOMA-systeem (Multiple-Input Single-Output) met een BS, twee gebruikers (User 1 aan de transmissiezijde, User 2 aan de reflectiezijde) en een passieve eavesdropper.
- Elke STAR-RIS-element ( $k$ ) kan onafhankelijk opereren in één van drie exclusieve modi: reflectie ( $\beta_{r,k}$ ), transmissie ( $\beta_{t,k}$ ) of jamming ( $\beta_{j,k}$ ).
- Een subset van de elementen wordt adaptief geconfigureerd voor jamming om de informatielekken naar de eavesdropper te onderdrukken.
Probleemformulering:
- Het doel is het maximaliseren van de som-rate van de legale gebruikers onder de beperkingen van het zendvermogen, de Successive Interference Cancellation (SIC) volgorde voor NOMA, en een drempel voor de maximale toegestane informatielek naar de eavesdropper ( $\tau$ ).
- Dit resulteert in een niet-convex optimalisatieprobleem vanwege de koppeling tussen de actieve beamforming-vectoren van de BS en de passieve faseverschuivingen/mode-selectie van de STAR-RIS, evenals de discrete binaire aard van de moduskeuze.
Oplossingsalgoritme:
- Er wordt een strafgebaseerd alternatief optimalisatie-algoritme (Penalty-based Alternating Optimization - AO) ontwikkeld.
- Het probleem wordt opgesplitst in twee onderling afhankelijke subproblemen die iteratief worden opgelost:
  1. Actieve Beamforming Optimalisatie: Het optimaliseren van de beamforming-vectoren ( $w_1, w_2$ ) bij de BS, met vaste STAR-RIS-configuratie. Hierbij worden slack-variabelen en semidefinite relaxation (SDR) gebruikt om de niet-convexe SINR-beperkingen te lineariseren.
  2. Passieve Beamforming Optimalisatie: Het optimaliseren van de STAR-RIS-matrices (reflectie, transmissie, jamming) en de modus-selectie-coëfficiënten ( $\beta$ $β$ ).
    - Voor de binaire modus-selectie wordt een strafmethode toegepast die de oplossing geleidelijk drijft naar de set $\{0, 1\}$ .
    - Voor de rang-één beperkingen (rank-one constraints) wordt een benadering gebruikt die het verschil tussen de nucleaire norm en de spectrale norm minimaliseert.
- Het algoritme convergeert door de strafcoëfficiënten te verhogen totdat de oplossing stabiel is.

3. Belangrijkste Bijdragen

Nieuw Kader: Voor het eerst wordt de beveiliging en som-rate prestatie van een tertiaire-modus STAR-RIS (reflectie, transmissie, jamming) in een NOMA-systeem geanalyseerd.
Dynamische Modusselectie: In tegenstelling tot ES/TS protocollen, stelt het voorgestelde Modus Switching (MS) protocol elke element toe om onafhankelijk te kiezen tussen drie functies, wat fijnmazige controle over het propagatie-omgeving biedt.
Geoptimaliseerd Algoritme: Een efficiënt strafgebaseerd AO-algoritme dat zowel continue (faseverschuivingen) als discrete (moduskeuze) variabelen in één raamwerk behandelt.
Integratie van Jamming: Het tonen dat het integreren van jamming-functies in de STAR-RIS zelf, in plaats van externe jammers, de beveiliging aanzienlijk verbetert.

4. Resultaten

De simulaties, uitgevoerd met perfecte Kanaalstatistieken (CSI), tonen de volgende resultaten:

Prestatieverbetering: Het voorgestelde systeem met tertiaire-modus STAR-RIS en geïntegreerde jamming presteert consistent beter dan benchmarks zoals conventionele RIS, STAR-RIS zonder jamming, en systemen zonder RIS. Er wordt een verbetering van ongeveer 1 bit/s/Hz in geheimhoudingscapaciteit waargenomen ten opzichte van conventionele RIS-systemen.
Invloed van Elementaantal ( $K$ ): Een toename in het aantal STAR-RIS-elementen leidt tot hogere som-rates, maar er is een afnemend rendement te zien bij $K > 50$ .
Adaptieve Modusverdeling: Bij lage zendvermogen worden de meeste elementen gebruikt voor reflectie en transmissie om de signaalkwaliteit te verbeteren. Bij hoge zendvermogen schakelt het systeem een groter deel van de elementen naar jamming-modus om de eavesdropper effectief te onderdrukken.
Convergentie: Het voorgestelde algoritme convergeert snel (binnen ongeveer 6-10 iteraties) naar een stabiele oplossing, wat de rekenkundige efficiëntie bevestigt.

5. Betekenis en Conclusie

Dit onderzoek demonstreert het grote potentieel van tertiaire-modus STAR-RIS voor veilige en efficiënte 6G-netwerken. Door de functionaliteit van jamming direct in het intelligente oppervlak te integreren, kan het systeem niet alleen de dekking uitbreiden naar beide zijden van het oppervlak, maar ook actief de beveiliging versterken door de eavesdropper te verstoren.

De studie biedt een robuust wiskundig raamwerk voor het gezamenlijk optimaliseren van actieve en passieve beamforming in complexe, niet-convexe omgevingen. Dit vormt een belangrijke stap richting praktische implementaties van veilige, energie-efficiënte en hoog-capaciteit draadloze netwerken. Toekomstig werk richt zich op scenario's met imperfecte CSI, gebruikersmobiliteit en gedistribueerde STAR-RIS-systemen.