📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 13周: 🛡️ 星鏈安全：PQC × Anti-Jamming × Laser Link Security
123／150單元：RIS-Based Secure Beam🛡️ 以反射面強化波束安全**
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🎯 單元導讀
6G 的最大突破之一：
⭐ 安全性不再只靠密碼學，而是靠「物理空間」本身來保護訊號。
RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）
＝ 被動式的「可編程反射牆」
將它用於安全目的的核心思想：
✔ 讓訊號「彎曲」往合法使用者（UE）
✔ 讓訊號「繞開」竊聽者（Eve）
✔ 讓能量在特定方向被放大，在其他方向被消失
一句話：
🌈 RIS = 物理層安全（PHY-Security）的新武器
而且最重要的是：
💥 RIS 不發射功率，能透過調相矩陣 θ 直接提升安全容量。
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🧠 一、什麼是 RIS-Based Secure Beamforming？
RIS 的基本操作：
入射波 → RIS → 調整每一個單元的相位（θ₁, θ₂, … θₙ）→ 反射方向被完全控制
若 UE 在合法方向 θ_L
Eve 在不合法方向 θ_E
我們可以設計 RIS 相位，使得：
✔ UE 方向 → 建設性干涉（constructive）
✔ Eve 方向 → 毀滅性干涉（destructive）
結果：
⭐ 正常用戶收到的訊號 SNR ↑
⭐ 竊聽者收到的訊號 SNR ↓ → 趨近 0
這就是 RIS-based secure beamforming。
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🧠 二、既然有 Massive MIMO，為何還需要 RIS？
因為 MIMO 的限制在於：
✔ 1. 基站受限於「固定位置」
若 Eve 角度太靠 UE，很難分離。
✔ 2. MIMO 需要高功率 + 複雜 RF Chain
RIS 是被動 → 不需要 RF chain，不受功率限制。
✔ 3. 城市中大量「陰影區」
RIS 能布建在：
• 建築物牆面
• 電線杆
• 玻璃帷幕
• 室內天花板
• 道路兩側
RIS = 補齊 MIMO 做不到的「物理幾何」。
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🧠 三、安全容量（Secrecy Capacity）在 RIS 下的變化
傳統的安全容量公式：
C_s = [C_b − C_e]⁺
（合法通道減非法通道）
有了 RIS 後：
C_b → 增加（因為正向增益）
C_e → 大幅降低（相位破壞）
C_s → 被 RIS 拉高到原本好幾倍
⭐ 這就是 6G PHY-Security 最重要的革命。
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🧠 四、RIS Secure Beam 的三大安全原理
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① 路徑工程（Path Engineering）
RIS 可以控制：
• 傳播角度
• 多路徑組合
• 相位疊加
• 假 LOS（virtual line-of-sight）
• 阻隔不需的方向
讓系統能逼近：
⭐ 完美單用戶通道（理想 SISO）
Eve 在旁邊只差 10 公尺 → 完全收不到能量。
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② 人工深衰落（Artificial Deep Fading）
利用 RIS 破壞 Eve 方向的相位，使得：
Eve 的通道 h_E ≈ 0
→ SNR_Eve = –∞ dB
→ 無可能破解 MCS
→ 成為「物理層黑洞」
這是無法被量子電腦破解的安全。
因為量子只能破解密碼學，不能破解物理空間。
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③ 動態安全（Fast Time-Varying Security）
RIS 的相位矩陣 θ(t) 可以：
✔ 每毫秒更換一次
✔ 每 UE handover 重建
✔ 每次重新 beamforming 時重新生成
結果：
🔐 Eve 永遠無法建立穩定通道估測
🔐 即使攔截，也無法 demodulate
🔐 AES/RSA 的安全需求大幅下降
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🧠 五、LEO × RIS：為什麼在星鏈特別重要？
LEO 星鏈的難題：
✔ 大範圍覆蓋 → Eve 更容易攔收
✔ 搖擺式天線 → Beam Alignment 不穩定
✔ 低軌動態 → 通道快速變化
✔ 市區易被建物遮蔽
RIS 的解決點：
⭐ 1. RIS 讓 LEO Beam 接近「光纖直射」效果
減少雜散能量被攔收。
⭐ 2. 在城市布 RIS，可以補 LEO 的 NLOS 缺口
在無視距區產生一條「反射式 LOS」。
⭐ 3. Secure Beam + LEO Laser Link = 雙層安全
地面（RIS）
天上（Laser Link PQC）
→ E2E 多層安全。
⭐ 4. 在戰區可快速部署“可攜式 RIS”
做出動態安全遮罩（Security Shield）。
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🧠 六、AI-native Secure RIS（6G 的最終型態）
AI 會自動調整 RIS 的相位矩陣，使得：
✔ 合法 UE → gain 最大
✔ Eve → channel null
✔ 阻尼環境變化（車輛、行人）
✔ 快速對齊 LEO 下行 Beam
✔ 動態隱身（stealth channel）
未來的 RIS 型態：
• STAR-RIS（同時反射與透射）
• Holographic RIS（高密度連續面陣）
• 3D RIS Cube（包覆式全向 RIS）
都是以安全為核心。
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🧠 七、ASCII：RIS Secure Beam 方向控制
↑ Legitimate User (UE)
|
\ | /
\|/
RIS ---------------> 強反射
/|\
/ | \_______ （幾乎無能量）
\
\
Eve (竊聽者)
這個示意圖說明 RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，可重構智慧反射表面） 在物理層安全（Physical Layer Security）中的作用：合法使用者（UE）位於 RIS 的主要反射方向上，RIS 透過相位與方向精準控制，將無線能量「聚焦」反射給 UE，形成強訊號；而竊聽者 Eve 位於非設計方向，僅接收到經過破壞性干涉後的殘餘能量，幾乎無法有效解調訊號。透過這種空間選擇性反射與能量定向，RIS 在不增加發射功率的情況下，同時提升合法連線品質並抑制竊聽風險。
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🧠 八、模擬題（Graduate Level）
1️⃣ 在 UE 與 Eve 角度差 15° 的情況下，比較無 RIS / 有 RIS 的 Secrecy Capacity。
2️⃣ 模擬 128 × 128 RIS 對 UE Beamforming Gain 的改善量。
3️⃣ 模擬 Eve 在不同距離（5m / 20m / 50m）時收到的殘餘能量。
4️⃣ 為 LEO → UE 設計一個「雙 RIS 安全路徑」。
5️⃣ 訓練一個 AI 模型（DRL）自動產生 secure phase matrix θ。
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🧠 九、小結
RIS 不只是提升 SNR、增強覆蓋，它是 6G 最重要的「物理層安全技術」。
⭐ Secure Beam 的核心思想：
• 增加合法路徑
• 消滅非法路徑
• 讓 Eve 無法獲得可用通道
⭐ 在城市環境：
RIS = 建築物的「反射式安全盾」
⭐ 在星鏈 / NTN：
RIS = LEO 的「地面安全延伸」
⭐ 搭配 PQC（Kyber/Dilithium）：
形成 E2E 的多層安全堡壘。
6G 不再只是更快，而是：
🌐 把「空間本身」當作安全機制。
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