[論文レビュー] Active Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、多重アンテナシステムにおける物理層セキュリティを向上させるために、ビームフォーミングと反射係数を共同最適化するアクティブな再構成可能知能表面（RIS）設計を提案する。アクティブな反射素子を用いて信号を増幅することで、反射リンクにおける「二重フェージング」効果を効果的に軽減し、パッシブRISに比べ最大48%高いセキュリティレートを達成するとともに、非RISシステムに比べ顕著な利得を得るが、RISにおける追加消費電力は最小限に抑えられる。

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) draws great attentions in academic and industry due to its passive and low power consumption nature, and has currently been used in physical layer security to enhance the secure transmission. However, due to the existence of double fading effect on the reflecting channel link between transmitter and user, RIS helps achieve limited secrecy performance gain compared with the case without RIS. In this correspondence, we propose a novel active RIS design to enhance the secure wireless transmission, where the reflecting elements in RIS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. To solve the non convex secrecy rate optimization based on this design, an efficient alternating optimization algorithm is proposed to jointly optimize the beamformer at transmitter and reflecting coefficient matrix at RIS. Simulation results show that with the aid of active RIS design, the impact of double fading effect can be effectively relieved, resulting in a significantly higher secrecy performance gain compared with existing solutions with passive RIS and without RIS design.

研究の動機と目的

• 反射リンクにおける「二重フェージング」効果により生じるパッシブRIS支援システムのセキュリティレート向上が限定的である問題に対処すること。
• 同時位相シフトと信号増幅を可能にするアクティブRISアーキテクチャを設計し、セキュアな伝送を向上させること。
• 非凸なセキュリティレート制約下で、効率的な交互最適化（AO）アルゴリズムを用いて、共同ビームフォーマーと反射係数の最適化を実現すること。
• セキュリティレートおよびエネルギー効率の観点から、アクティブRISがパッシブRISおよび非RISシステムに比べて果たす性能向上を評価すること。

提案手法

• 各反射素子がパワーアンプを介して位相と振幅を調整できる、アクティブRIS支援セキュアMISOシステムのための新しい信号モデルを構築する。
• 送信側のビームフォーマーとRIS側の反射係数行列を含む非凸最適化問題として、セキュリティレート最大化問題を定式化する。
• ビームフォーマーと反射行列を交互に最適化する交互最適化（AO）アルゴリズムを提案し、RIS係数の更新を効率的に行うために主要化最小化（MM）サブアルゴリズムを組み込む。
• RIS全体の増幅電力と個々の素子の利得に電力制約を課し、性能向上においては個別素子利得制約が支配的であることを確認する。
• 非凸性を処理するためにペナルティベースのアプローチを採用し、各反復で単調に改善されるようにし、収束性を保証する。
• 100回のチャネル実現を用いた数値シミュレーションにより、送信電力、RISサイズ、増幅利得の変動に応じた性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブRIS設計は、RIS支援セキュア伝送システムにおける「二重フェージング」効果を効果的に軽減できるか？
• RQ2 同じシステム条件下で、アクティブRISのセキュリティレート性能はパッシブRISおよび非RISシステムに比べてどのように異なるか？
• RQ3 アクティブRIS支援セキュア通信におけるRIS増幅利得が、セキュリティレートおよびエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ4 効率的な交互最適化アルゴリズムは、非凸な設定下でビームフォーミングと反射係数を共同最適化し、高いセキュリティレートを達成できるか？
• RQ5 提案されたアクティブRIS設計は、正当なユーザーの性能向上を図る一方で、盗聴者への情報漏洩を低く抑えられるか？

主な発見

• 増幅利得を40 dBに設定した場合、提案されたアクティブRIS設計は、パッシブRISに比べ最大48%高いセキュリティレートを達成し、パッシブおよび非RISベースラインを著しく上回る。
• 20 dBの増幅利得でも、合計増幅電力が約4 dBmにとどまる中で、パッシブRISに比べて約13%のセキュリティレート向上を達成する。
• 反射素子数の増加に伴いセキュリティレートは上昇し、素子数を10から60に増加させた場合、アクティブRISはパッシブRISに比べ36%の性能向上を達成する。
• AOアルゴリズムは4〜8反復で収束し、RIS係数最適化のためのMMサブアルゴリズムも2〜3反復で収束するため、計算効率が保証される。
• 個別素子利得のRIS電力制約が性能向上において支配的であり、全電力制約は通常非活性であるため、利得制御が総電力予算よりも重要であることが示された。
• 10個の反射素子と20 dBの増幅利得ですら、アクティブRISがセキュリティレート9.0を達成したのに対し、パッシブRISは60素子で8.6にとどまる。