[論文レビュー] Covert Transmission Assisted by Intelligent Reflecting Surface

Jiangbo Si, Zan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、Aliceがウォーデンのウィリーに検知されずにBobに通信する、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援するシステムにおける隠蔽通信を調査する。完全または不完全なCSIのもとで、Aliceの送信パワーとIRSの位相シフトを共同最適化することで、隠蔽レートを最大化する手法を提案し、ウィリーがIRSに近い場合にはIRSが性能を劣化させる可能性があることを明らかにした。

ABSTRACT

Covert transmission is studied for an intelligent reflecting surface (IRS) aided communication system, where Alice aims to transmit messages to Bob without being detected by the warden Willie. Specifically, an IRS is used to increase the data rate at Bob under a covert constraint. For the considered model, when Alice is equipped with a single antenna, the transmission power at Alice and phase shifts at the IRS are jointly optimized to maximize the covert transmission rate with either instantaneous or partial channel state information (CSI) of Willie's link. In addition, when multiple antennas are deployed at Alice, we formulate a joint transmit beamforming and IRS phase shift optimization problem to maximize the covert transmission rate. One optimal algorithm and two low-complexity suboptimal algorithms are proposed to solve the problem. Furthermore, for the case of imperfect CSI of Willie's link, the optimization problem is reformulated by using the triangle and the Cauchy-Schwarz inequalities. The reformulated optimization problems are solved using an alterative algorithm, semidefinite relaxation (SDR) and Gaussian randomization techniques. Finally, simulations are performed to verify our analysis. The simulation results show that an IRS can degrade the covert transmission rate when Willie is closer to the IRS than Bob.

研究の動機と目的

• ウィリーが検知しないIRS支援システムにおいて、AliceがBobに通信することを可能にする。
• ウィリーにおける隠蔽制約のもとで、隠蔽通信レートを最大化する課題に対処する。
• 完全および不完全なCSIを考慮して、IRSの位相シフトとAliceの送信パワーを共同最適化する。
• アンテナを複数備えたAliceのシステムにフレームワークを拡張し、ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化を実施する。
• 不完全なCSIが隠蔽レートに与える影響を分析し、ロバスト最適化手法を提案する。

提案手法

• ウィリーにおけるエネルギー検出を用いて、隠蔽制約のもとで隠蔽通信レート最大化問題を定式化する。
• 非凸問題を解くために、代替最適化アルゴリズムとして半正定値緩和（SDR）とガウスノイズ乱数化を提案する。
• 不完全なCSIの条件下で最適化問題を再定式化するために、三角不等式およびコーシー・シュワルツ不等式を適用する。
• 大規模なIRS要素数を想定し、中心極限定理に基づいてウィリーにおける集約干渉を複素ガウス近似で扱う。
• ウィリー受信信号電力の確率密度関数（PDF）を指数分布として導出することで、検出確率の分析を可能にする。
• 単一アンテナおよび複数アンテナのAlice構成を想定し、ビームフォーミングと位相シフトを共同最適化する。

Figure 1: Covert transmission with IRS assistance

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウィリーがエネルギー検出を実施するシステムにおいて、IRSの配置が隠蔽通信レートにどのように影響するか？
• RQ2 IRSが隠蔽性能を向上または劣化させる条件は何か？
• RQ3 ウィリーのチャネルにおける不完全なCSIが、達成可能な隠蔽レートに与える影響は何か？
• RQ4 隠蔽レートを最大化するための最適な送信パワーとIRS位相シフトの共同設計は何か？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、複数のウォーデンや複数アンテナのAlice構成に対応可能か？

主な発見

• IRSは常に隠蔽通信を向上させるわけではない。ウィリーがIRSにBobよりも近い場合、性能が劣化する。
• ウィリーのリンクにおける不完全なCSIは、隠蔽通信レートを低下させる。特に、Aliceからウィリーへのリンクの不確実性が最も深刻な影響を与える。
• IRSによって引き起こされるウィリーへの干渉は、反射素子数の増加に伴い増大し、ビームフォーミングの利点を制限する。
• 提案された最適化フレームワークは、完全および不完全なCSIの両状況において、ベースライン手法よりも高い隠蔽レートを達成する。
• シミュレーション結果から、BobとIRS平面との垂直距離が増加するにつれて、隠蔽レートが低下することが確認された。
• ウィリー受信信号電力の指数分布は、提案されたチャネルモデル下で検出確率の正確なモデリングを可能にする。

Figure 2: The simulation model.