[論文レビュー] Artificial-Noise-Aided Secure MIMO Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surface

Sheng Hong, Cunhua Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 48被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、送信 precoding、人工雑音共分散、および知能反射表面（IRS）位相シフトを共同最適化することでセキュリティ速率を最大化する、新しいセキュアMIMO無線通信システムを提案する。ラグランジュ乗数法と主要化最小化を用いた閉形式解を有するブロック座標降下（BCD）を活用することで、特にパワー制約下でも従来のAN支援システムに比べ顕著なセキュリティ速率の向上を達成する。

ABSTRACT

This paper considers a MIMO secure wireless communication system aided by the physical layer security technique of sending artificial noise (AN). To further enhance the system security performance, the advanced intelligent reflecting surface (IRS) is invoked in the AN-aided communication system, where the base station (BS), legitimate information receiver (IR) and eavesdropper (Eve) are equipped with multiple antennas. With the aim for maximizing the secrecy rate (SR), the transmit precoding (TPC) matrix at the BS, covariance matrix of AN and phase shifts at the IRS are jointly optimized subject to constrains of transmit power limit and unit modulus of IRS phase shifts. Then, the secrecy rate maximization (SRM) problem is formulated, which is a non-convex problem with multiple coupled variables. To tackle it, we propose to utilize the block coordinate descent (BCD) algorithm to alternately update the TPC matrix, AN covariance matrix, and phase shifts while keeping SR non-decreasing. Specifically, the optimal TPC matrix and AN covariance matrix are derived by Lagrangian multiplier method, and the optimal phase shifts are obtained by Majorization-Minimization (MM) algorithm. Since all variables can be calculated in closed form, the proposed algorithm is very efficient. We also extend the SRM problem to the more general multiple-IRs scenario and propose a BCD algorithm to solve it. Finally, simulation results validate the effectiveness of system security enhancement via an IRS.

研究の動機と目的

• 送信パワー制約およびチャネル不一致の影響によるMIMOワンタップチャネルにおけるセキュリティ速率の制限という課題に対処する。
• 知能反射表面（IRS）を統合することで、無線伝搬環境を再構成し、物理層セキュリティを強化する。
• 送信 precoding、人工雑音共分散、およびIRS位相シフトを共同最適化することで、パワー制約およびユニットモジュラス制約下でのセキュリティ速率を最大化する。
• すべての変数に対して閉形式解を有する効率的なアルゴリズムを開発し、実用的導入を確保する。
• 将来の6Gネットワークにおける広範な適用性を高めるために、マルチ受信者シナリオへのフレームワークの拡張を図る。

提案手法

• 送信 precoding行列、人工雑音共分散行列、およびIRS位相シフトが結合された非凸なセキュリティ速率最大化（SRM）問題を定式化する。
• ブロック座標降下（BCD）を適用し、他の変数を固定した上で順次各変数を最適化することで、セキュリティ速率が非減少となるように保証する。
• ラグランジュ乗数法を用いて、最適な送信 precoding行列および人工雑音共分散行列を閉形式で導出する。
• 主要化最小化（MM）アルゴリズムを用いて、IRS位相シフトを効率的に最適化し、収束性と低計算量を確保する。
• 取り扱いやすさを確保するため、連続的位相シフトを仮定するが、実際の離散位相シフト近似における性能をシミュレーションで検証する。
• 複数の正当受信者を想定したマルチ受信者（multi-IR）シナリオに、BCDに基づくアルゴリズムを拡張するため、最適化フレームワークを再設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSの導入は、人工雑音 precoding を用いたMIMOワンタップチャネルにおけるセキュリティ速率を顕著に向上させるか？
• RQ2 送信 precoding、人工雑音共分散、およびIRS位相シフトをどのように共同最適化すればセキュリティ速率を最大化できるか？
• RQ3 パワー制約下のMIMOシステムにおいて、IRSと人工雑音を組み合わせることによる性能向上はどの程度か？
• RQ4 閉形式更新を有する本稿のBCDベースのアルゴリズムは、従来のヒューリスティックまたは反復的手法と比較して、収束性およびセキュリティ速率の面で優れているか？
• RQ5 本稿の提案手法は、複数の正当受信者を有するシナリオに効果的に拡張可能か？

主な発見

• 送信 precoding、人工雑音、およびIRS位相シフトの共同最適化により、従来のAN支援MIMOシステムに比べ顕著なセキュリティ速率の向上を達成した。
• すべての変数に対して閉形式解を有するBCDベースのアルゴリズムは、高速収束を実現し、セキュリティ速率の単調増加を保証する。
• IRSの導入により、正当リンクの性能が顕著に向上し、盗聴者のチャネルが劣化するため、厳密なパワー制約下でも高いセキュリティ速率が達成された。
• シミュレーション結果から、本手法がベンチマーク手法を上回ることを確認した。特に、盗聴者への直接リンクが弱いシナリオで顕著な性能向上が得られた。
• 連続位相シフトと離散位相シフトの性能差は小さく、システム設計における連続位相仮定の実用性が裏付けられた。
• 複数の正当受信者への拡張においても、高いセキュリティ速率性能を維持したため、提案フレームワークのスケーラビリティおよびロバストネスが実証された。