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

Resumo Técnico: Tertiary-Mode STAR-RIS para NOMA Seguro

1. Problema Investigado

O artigo aborda os desafios de segurança na camada física (PLS) em sistemas de acesso múltiplo não ortogonal (NOMA) de próxima geração, especificamente em cenários onde usuários legítimos estão localizados em lados opostos de uma superfície inteligente.

• Limitações das Soluções Atuais: As superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) tradicionais operam apenas em modo de reflexão, limitando a cobertura a um único lado da superfície. As versões mais recentes, as STAR-RIS (Superfícies que Transmitem e Refletem Simultaneamente), superam essa barreira, mas a maioria dos estudos existentes utiliza protocolos de Energy Splitting (ES) ou Time Switching (TS), que separam os elementos no domínio da energia ou do tempo, reduzindo a flexibilidade.
• O Cenário: O sistema considera uma estação base (BS) com múltiplas antenas servindo dois usuários legítimos (um no lado de transmissão e outro no lado de reflexão) na presença de um espião passivo (Eve). O objetivo é maximizar a taxa de soma dos usuários legítimos enquanto se garante a confidencialidade contra o espião, que pode interceptar sinais no lado de reflexão.
• Desafio de Otimização: O problema envolve o projeto conjunto de beamforming ativo (na BS) e passivo (na STAR-RIS), incluindo a seleção de modos de operação (transmissão, reflexão ou jamming). Isso resulta em um problema de otimização não convexo, complexo e com variáveis discretas e contínuas acopladas.

2. Metodologia Proposta

Os autores propõem um novo framework de comunicação onde cada elemento da STAR-RIS pode operar dinamicamente em um de três modos mutuamente exclusivos: Reflexão, Transmissão ou Jamming (interferência intencional).

• Modelo do Sistema:

  • A BS envia sinais superpostos para dois usuários (NOMA).
  • A STAR-RIS possui $K$ elementos. Um subconjunto é configurado para reflexão (servindo o usuário no lado de reflexão), outro para transmissão (servindo o usuário no lado de transmissão) e um terceiro para jamming (gerando interferência direcionada ao espião para degradar seu canal).
  • Assume-se conhecimento perfeito do estado do canal (CSI) no transmissor.

• Formulação do Problema:

  • O objetivo é maximizar a taxa de soma dos usuários legítimos ($R_{11} + R_{22}$) sujeita a:
    • Limite de potência da BS.
    • Condição de decodificação sucessiva (SIC) no usuário 1.
    • Restrição de vazamento de informação para o espião (a taxa do espião deve ser $\leq \tau$).
    • Restrições de exclusividade de modo (cada elemento opera em apenas um modo por vez).

• Algoritmo de Solução:

  • Foi desenvolvido um algoritmo de Otimização Alternada (AO) baseado em Penalidade de dois estágios para resolver o problema não convexo:
    1. Otimização de Beamforming Ativo (BS): Fixando os parâmetros da STAR-RIS, otimiza-se os vetores de beamforming da BS. O problema é reformulado usando relaxação de rank (SDR) e variáveis auxiliares para convexificar as restrições de taxa e SIC.
    2. Otimização de Beamforming Passivo e Seleção de Modo (STAR-RIS): Fixando a BS, otimiza-se as matrizes de fase e os coeficientes de seleção de modo ($\beta$).
       • Para lidar com a natureza binária dos modos ($\{0, 1\}$), utiliza-se uma relaxação convexa com penalidade progressiva.
       • Para lidar com as restrições de rank-1 das matrizes de fase, utiliza-se uma aproximação baseada na diferença entre a norma nuclear e a norma espectral.
  • O algoritmo itera entre os dois estágios, aumentando os coeficientes de penalidade até a convergência para uma solução viável e quase ótima.

3. Principais Contribuições

1. Novo Framework de Comunicação: Propõe-se o primeiro sistema NOMA assistido por STAR-RIS de modo terciário, onde os elementos podem alternar dinamicamente entre transmissão, reflexão e jamming, oferecendo controle granular sobre o ambiente de propagação.
2. Formulação de Otimização Conjunta: Desenvolve-se um problema de otimização que maximiza a taxa de soma garantindo a segurança física, integrando o design de beamforming ativo e passivo com a seleção de modo.
3. Algoritmo Eficiente: Apresenta-se um algoritmo de otimização alternada baseado em penalidade que resolve eficientemente o problema não convexo misto (inteiro-contínuo), garantindo convergência e viabilidade.
4. Análise de Desempenho: Demonstra-se que a capacidade de usar elementos para jamming ativo, além de reflexão e transmissão, supera significativamente os benchmarks tradicionais.

4. Resultados de Simulação

As simulações compararam o sistema proposto com benchmarks como RIS tradicional, STAR-RIS sem jamming e sistemas sem RIS.

• Taxa de Soma e Segurança: O sistema proposto (STAR-RIS com Jamming) superou consistentemente todos os benchmarks em toda a faixa de potência de transmissão (0–40 dBm). Houve uma melhoria de aproximadamente 1 bit/s/Hz na taxa de segurança em comparação com sistemas RIS convencionais.
• Impacto do Número de Elementos ($K$): O aumento do número de elementos da STAR-RIS melhora o desempenho devido ao maior ganho de beamforming. No entanto, observa-se um retorno decrescente para $K > 50$, indicando um compromisso entre desempenho e complexidade de hardware.
• Alocação Adaptativa de Modos: A análise mostrou que o algoritmo aloca dinamicamente os elementos:
  • Em baixas potências, a maioria dos elementos opera em reflexão e transmissão para fortalecer os sinais úteis.
  • À medida que a potência aumenta, uma fração maior de elementos é alocada para o modo de jamming para suprimir ativamente o espião.
• Convergência: O algoritmo proposto converge rapidamente (geralmente em menos de 10 iterações), demonstrando eficiência computacional.

5. Significado e Impacto

Este trabalho destaca o potencial das STAR-RIS de modo terciário para comunicações wireless seguras e eficientes na era 6G.

• Segurança Física: A integração de jamming inteligente diretamente na superfície reconfigurável oferece uma defesa robusta contra interceptação sem a necessidade de hardware ativo complexo ou consumo excessivo de energia.
• Flexibilidade Operacional: A capacidade de operar simultaneamente em transmissão, reflexão e interferência supera as limitações dos protocolos ES e TS, permitindo uma cobertura de espaço total e gerenciamento de interferência superior.
• Eficiência Espectral: A combinação com NOMA e a otimização conjunta resultam em ganhos significativos na taxa de soma, tornando a tecnologia viável para cenários urbanos densos e ambientes sem linha de visão (NLoS).

Em suma, o artigo estabelece um novo paradigma onde a superfície inteligente não é apenas um refletor passivo, mas um agente ativo na gestão de segurança e eficiência do espectro.