文献综述
一、研究的背景及意义
2019年10月31日，中国移动、联通、电信三大运营商公布了5G商用套餐，并于11月1日正式上线提供服务。5G的研发，一是由于长期演进技术(Long term evolution, LTE)为代表的第四代移动通信系统(The fourth generation mobile communication system, 4G)技术成熟并已全面推向市场，下一代技术的讨论提上日程；二是移动数据量呈爆炸式增长，现有移动通信系统难以满足未来的需求。2020年，移动网络通信的容量将比五年前增长1000倍，由此带来的频谱资源短缺问题，也将对频谱的使用提出更高效的要求[1]。如果说，5G时代人们更热衷于网络容量、传输速率的突破，那么6G将地面网络扩展到包括海底、空中甚至太空的多维网络，以及用于纳米物联网的纳米级网络[2]-[3]。
与此同时无线安全传输问题也日益突出。信息量的飞速增长，使得接入网与核心网信令之间的交互更加频繁，其中的漏洞也给了不法分子更多可乘之机[4]。无线信道的广播性、无线终端的移动性、网络拓扑结构的多样性、无线传输的不稳定性，都给安全传输带来了难题[5]。6G研究中将更多的网络相融合，这意味着网络基础架构和应用程序之间的依存关系更加紧密，安全性与隐私性的需要也进一步加剧[6]。为了使传输的安全性得到保障，许多通信层协议都添加了加密技术，且在多数情况下都取得了良好的效果；但近年来，无线信道的随机性与互易性，也让基于物理层的安全传输技术成为研究热点。
鉴于5G数据速率、网络延迟的极高要求，一系列新无线技术也应运而生：超密集网络、毫米波通信、大规模多输入多输出(Multiple-input Multiple-output, MIMO)等。超密集网络将每个小区单元的尺寸缩小，使得频谱重用在空间上成为可能，提高了频谱利用率；同时也降低了每个基站下的用户数量，削弱彼此间对资源的竞争[7]。在毫米波通信中，毫米波的波束具有很强的方向性，增强了信号功率；尽管易于被空气和水分吸收，但是200米是其在超密集网络中基站的间距，这样的距离所带来的损耗不会产生任何不利影响，而且会对相邻小区的干扰降低，因此毫米波通信的增益将远大于频谱增长[8]。在大规模MIMO中，基站天线的数量远大于每个信号资源的设备数量，由此得到的互相正交的不同设备信号信道，在空间复用中对频谱的依赖性减小，频谱效率也进一步地提高[9]。
尽管这些技术在大量的学术研究下已经取得了显著的发展，但在实际实施过程中所面临的网络能耗、硬件成本等问题也日渐清晰[10]。例如，毫米波系统中混合信号组件主要由模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)构成。当每个信号都连接入高速率的ADC和DAC时，将会带来很高的功耗。其次，理论上大规模MIMO在实施过程中可以通过每个天线模块的半自动运行来降低成本、降低功耗，但要证明这种解决方案的可能性，仍有很长的路要走[11]。因此，对具有低硬件成本和高频谱效能特性的技术的研究是必不可少的。
智能反射面(Intelligent Reflection Surface, IRS)的出现为这一研究带来新的思考方向。它仅通过低成本的反射元件来智能地重新配置信号传播，即可实现高波束成形和干扰抑制增益。具体而言，这些价格低廉的无源器件以一定的相移反射入射信号，实现波束成形并抑制一个或多个指定接收器的干扰[12]。在无线环境下，将IRS放置于发送端和接收端的中间，利用反射信号相位的改变，可在阻挡物中另辟蹊径，为无线通信系统结构的设计提供更多灵活的思路[13]-[15]。
通过IRS动态调节相移，反射信号在理想方向上与接收器的其他路径信号相干相加，增强接收信号功率；在非需要方向上相消相减，抑制其他干扰信号，由此增强传输的安全性、提高对隐私信息的保护。因此，IRS在无线安全传输系统中提供了一种新型且经济高效的解决方案。
二、国内外研究现状
大规模MIMO通信系统中常使用的相关无线通信技术有放大转发(amplify-and-forward, AF)中继、基于有源智能表面的大规模MIMO等。其中，AF中继在节点处将接收到的信号进行简单的放大处理，产生一个新信号，而后转发给下一个目标节点；但存在的问题是，此处新信号的产生势必会额外消耗一定的功率。基于有源智能表面的大规模MIMO也是一种已有技术，文献[16]中提出了“智能墙”(Intelligent walls)的概念。该“智能墙”通过低成本传感器及具有学习能力的认知引擎，对室内无线系统的及时需求做出反应，即在墙体表面主动选择相应频率的信号，从而控制无线电覆盖范围。但显而易见的是，这种有源智能表面作为一种发射端而存在，硬件成本高与功率消耗大的问题仍未解决。
