Joint Beamforming Optimization for Physical Layer Security and Power Efficiency in RIS-Assisted Symbiotic Radio Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Final thesis - Muneef g202202920.pdf Restricted to Repository staff only until 8 January 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تمثل شبكات الجيل السادس (6G) علامة فارقة وتحولًا جذريًا في مجال الاتصالات العالمية، حيث تركز على الأنظمة المستدامة والفعالة من حيث استهلاك الطاقة والمتصلة بشكل كبير لتحسين جودة الحياة. تحقيق هذه الأهداف يتطلب معالجة التحديات الحرجة المتعلقة بكفاءة الطاقة والكفاءة الطيفية (SE) لدعم الطلبات الهائلة على الاتصال، والتي تتطلب ما يقارب 76 جيجاهرتز من الموارد الطيفية. تتناول هذه الدراسة إطارًا لتحسين مشترك لتشكيل حزم الإرسال في المرسل الرئيسي (PT) وتشكيل حزم الانعكاس في السطح الذكي النشط القابل لإعادة التشكيل (RIS) . يتمثل الهدف في تقليل استهلاك الطاقة الكلي مع ضمان الأمان وجودة الخدمة (QoS) ضمن بيئة الراديو التعاونية (SR). تحديدًا، يتم استخدام تشكيل الحزم للإرسال المتعدد لإرسال رسالة مشتركة إلى المستخدمين الرئيسيين (PUs) عبر السطح الذكي النشط، الذي يقوم في الوقت نفسه بتعديل رسالته الخاصة إلى مستخدم ثانوي (SU). في هذا الإطار، يشكل نوعان من المتنصتين تهديدات أمنية: النوع الأول يستهدف المستخدمين الرئيسيين (PUs)، بينما يستهدف النوع الثاني المستخدم الثانوي (SU). ونظرًا لعدم تعاون المتنصتين في توفير معلومات حالة القناة (CSI)، يتم اعتبار نموذجين: النموذج المحدود والنموذج الإحصائي. لمعالجة مشكلة التحسين غير المحدبة، تم اقتراح خوارزمية التحسين بالتناوب (AO) التي تقوم بتقسيم المشكلة إلى مشكلتين فرعيتين يتم حلهما بالتناوب. تركز المرحلة الثانية من هذه الأطروحة على تشكيل الحزم متعددة المستخدمين في محطة القاعدة (BS)، حيث يتلقى كل مستخدم إشارات مختلفة، مما يضيف تعقيدًا ناجمًا عن التداخل. يتم معالجة هذا التحدي من خلال صياغة ثلاث مشكلات فرعية: أولاً تحسين متجهات تشكيل الحزم، ثانياً تحسين تشكيل حزم انعكاس السطح الذكي (RIS)، وثالثاً تحديث العتبات الجزئية. تعمل هذه العتبات على فصل القيود إلى أجزاء موجبة وسلبية، ولكل منها عتبات مميزة لنسبة الإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى الضوضاء (SINR). يأخذ إطار التحسين بعين الاعتبار أسوأ السيناريوهات حيث يمكن للمتنصتين إزالة التداخل، لضمان أداء نظام قوي. تظهر التحليلات العددية فعالية الخوارزميات المقترحة في تقليل استهلاك الطاقة الإجمالي بشكل كبير عبر السيناريوهات المختلفة. كما يتفوق السطح الذكي النشط (Active RIS) بشكل ملحوظ على السطح الذكي السلبي (Passive RIS)، ويوفر نموذج خطأ معلومات حالة القناة الإحصائي (CSI) أداءً أفضل مقارنةً بالنموذج المحدود بفضل تمثيله الدقيق لقنوات المتنصتين.

English Abstract

The advent of 6G networks represents a transformative milestone in global communications, emphasizing sustainable, energy-efficient, and highly connected systems to improve quality of life. Achieving these goals necessitates addressing critical challenges in energy efficiency and spectral efficiency (SE) to support massive connectivity demands, requiring approximately 76 GHz of spectral resources. This research investigates a joint optimization framework for transmit beamforming at the \gls{PTx} and reflection beamforming at an active reconfigurable intelligent surface (RIS). The objective is to minimize total power consumption while ensuring security and quality of service (QoS) within a symbiotic radio (SR) environment. Specifically, multicast beamforming is employed to transmit a common message to primary users (PUs) via an active RIS, which simultaneously modulates its own message to a secondary user (SU). In this setup, two types of eavesdroppers pose security threats: Type 1 targets PUs, while Type 2 targets the SU. Due to the lack of cooperation from eavesdroppers in providing channel state information (CSI), two models are considered: bounded and statistical. To address the non-convex optimization problem, an alternating optimization (AO) algorithm is proposed, decomposing the problem into two alternating subproblems. The second phase of this thesis focuses on multi-user beamforming at the PTx, where each user receives distinct signals, introducing interference complexity. This challenge is addressed by formulating three subproblems: Firstly, optimizing beamforming vectors, secondly, refining RIS reflection beamforming, and finally updating interference thresholds. These thresholds decouple constraints into positive and negative parts, each with distinct signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) thresholds. The optimization framework accounts for worst-case scenarios where eavesdroppers can eliminate interference, ensuring robust system performance. Numerical analysis highlights the efficacy of the proposed algorithms in significantly reducing total power consumption across scenarios. Active RIS outperforms passive RIS consistently, and the statistical CSI error model delivers superior performance over the bounded CSI model due to its precise representation of eavesdroppers' channels.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Research Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Salam, zummo
Committee Members:	Ali, Nasir and Wessam, Mesbah
Depositing User:	MUNEEF MOHAMMED (g202202920)
Date Deposited:	09 Jan 2025 11:47
Last Modified:	09 Jan 2025 11:47
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143240