Intelligent Reflecting Surfaces for Secure 6G Wireless Communications

Abstract

The dissertation thesis deals with the topic of intelligent reflecting surfaces (IRS) and physical layer security in wireless communication systems. The main goal is to improve the spectrum efficiency and the performance of the Sixth Generation (6G) mobile networks by using intelligent surfaces that reflect the transmission signals in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. This thesis exploits the physical layer security characteristics, improves the capacity of a NOMA network, and the efficiency of the application of the IRS to mitigate the adverse effects of fading, shadowing, and finally also transmission environments in satellite networks.

The thesis introduces a new approach for improving the capacity of a NOMA network by using the Aerial IRS, the satellite networks's performance by increasing the number of phase shifters of the IRS to mitigate the adverse effects of fading, shadowing, and transmission environments, and the understanding of how the meta-surfaces in IRS can improve the power allocation and transmission performance in the NOMA network. The dissertation thoroughly examined three specific use cases: (1) physical layer security in IRS-based downlink and uplink NOMA networks, (2) capacity enhancement of NOMA networks through multiple aerial intelligent reflecting surfaces, and (3) the secrecy performance of IRS-assisted satellite networks. In the dissertation, closed-form analytical formulations for performance metrics, including Outage Probability (OP), Secret Outage Probability (SOP), Ergodic Capacity (EC), average throughput, and energy consumption were derived and rigorously validated through simulations.

The outcomes of the dissertation demonstrated advancements in network security and efficiency of transmission. Simulations showcased improvements in scalability and throughput compared to state-of-the-art solutions, and the dissertation represents a promising approach for 6G network optimization and secure communication. The dissertation thesis includes a commented collection of published papers related to the main research goals.

Dizertační práce se zabývá tématem inteligentních odrazových ploch (IRS) a zabezpečením fyzické vrstvy v bezdrátových komunikačních systémech. Hlavním cílem je zlepšit efektivitu spektra a výkonnost mobilních systémů šesté generate (6G) pomocí inteligentních povrchů, které odrážejí přenosové signály v sítích užívajících neortogonální vícenásobný přístup (NOMA). Tato práce využívá charakteristiky zabezpečení fyzické vrstvy (PLS), zlepšuje kapacitu NOMA sítí a efektivitu použití IRS ke zmírnění nepříznivých efektů jako je útlum, stínění a nakonec rovněž přenosových prostředí v satelitních sítích.

Práce představuje nový přístup ke zlepšení kapacity sítě NOMA pomocí Aerial IRS, výkonnosti satelitních sítí zvýšením počtu fázových posunů IRS pro zmírnění nepříznivých vlivů útlumu, stínění a přenosového prostředí a přispívá k pochopení, jak mohou meta povrchy v IRS zlepšit alokaci energie a výkonnost přenosu v síti NOMA. Dizertace důkladně prozkoumala tři konkrétní případy použití: (1) zabezpečení fyzické vrstvy v downlinkových a uplinkových NOMA sítích založených na IRS, (2) zvýšení kapacity sítí NOMA prostřednictvím více anténních inteligentních odrazných ploch a (3) odolnost IRS-asistovaných satelitní sítích proti odposlechu na fyzické vrstvě. V dizertační práci byly odvozeny vztahy v uzavřeném tvaru pro výkonnostní metriky včetně pravděpodobnosti výpadku (OP), utajené pravděpodobnosti výpadku (SOP), ergodické kapacity (EC), průměrné propustnosti a spotřeby energie, které byly důsledně ověřeny prostřednictvím simulací.

Výsledky dizertace prokázaly pokrok v zabezpečení a efektivitě přenosu. Výsledky implementace ukázaly zlepšení škálovatelnosti a propustnosti ve srovnání s dosud známými řešeními, a tato práce představuje slibný přístup pro optimalizaci 6G sítě a zabezpečenou. Disertační práce obsahuje komentovanou kolekci publikovaných prací souvisejících s hlavními cílemi výzkumu.