[論文レビュー] Enabling Secure Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、知能反射表面（IRS）を用いて送信ビームフォーミングと IRS 位相シフトを共同設計することで無線リンクのセキュリティを確保することを研究し、小規模および大規模な IRS に対して2つの効率的なアルゴリズム（要素ごと BCD と AO-MM）を提案し、大規模 IRS が秘密性処理率とエネルギー効率を向上させることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we propose to utilize intelligent reflecting surfaces (IRSs) for enhancing the physical layer security of wireless communications systems. In particular, an IRS-assisted secure wireless system is considered, where a multi-antenna transmitter communicates with a single-antenna receiver in the presence of an eavesdropper. To maximize the secrecy rate, both the beamformer at the transmitter and the IRS phase shifts are jointly optimized. Based on the block coordinate descent (BCD) and minorization maximization (MM) techniques, two efficient algorithms are developed to solve the resulting non-convex optimization problem for small- and large-scale IRSs, respectively. Simulation results show that IRSs can significantly improve physical layer security if the proposed algorithms are employed. Furthermore, we reveal that deploying large-scale IRSs is more efficient than enlarging the antenna array size of the transmitter for both boosting the secrecy rate and enhancing the energy efficiency.

研究の動機と目的

• IRS を用いた物理層セキュリティの強化を、リレーとア artificial noise に代わる費用対効果の高い省エネオプションとして動機づける。
• IRS 助⼒下の MISO ダウンリンクで、複数天線送信機・単一受信機・単一盗聴者を想定した secrecy rate を最大化する。
• ビームフォーミングと IRS 位相シフトの非凸結合最適化を解くための2つのスケーラブルで効率的なアルゴリズムを開発する。
• 小規模 vs 大規模 IRS の相対的性能とエネルギー効率への影響を洞察する。

提案手法

• 複数天FP アンテナ送信機、単一受信機、単一盗聴者、および M 位相シフタを有する IRS を用いたIRS併用セキュアシステムをモデル化する。
• 送信ビームフォーマー f と IRS 位相シフト Φ に対する単位モジュラConstraints を含む非凸問題として secrecy-rate 最大化を定式化する。
• Φ が与えられたときの一般化固有値問題を用いて閉形式の最適ビームフォーマーを導出する（補題1）。
• 小規模 IRS に対しては要素ごと BCD（ブロック座標降下法）法、 大規模 IRS に対しては AO-MM（代替最長下界最適化）法を用いる2つの IRS 位相シフト最適化スキームを提案する（Surrogate lower-bound optimization and (21)）。
• 2つのアルゴリズムの収束性と性能のトレードオフを分析し、初期化のガイダンスを提供する（式(22)）。
• IRS 遭用設計を非 IRS ベンチマークと比較し、特に大規模 IRS のエネルギー効率の利点を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS を用いた安全な MISO システムにおいて、IRS 位相シフトと送信ビームフォーミングを共同最適化して secrecy rate を最大化できるか？
• RQ2 小規模対大規模 IRS に対して、収束性と secrecy 性能の観点でどのアルゴリズムがより効果的か？
• RQ3 秘密度 rate およびエネルギー効率の観点で IRS のサイズ拡張は送信機のアンテナ数拡張とどう比較されるか？
• RQ4 提案アルゴリズムの実際の性能に影響を与える初期化と計算上の考慮事項は何か？

主な発見

• ビームフォーミングと IRS 位相シフトの共同最適化は、非 IRS 設定に比べて大幅な secrecy-rate 増加をもたらす。
• 要素ごとの BCD は小規模 IRS においてブロックごとの解が全体的に最適で高速、AO-MM は大規模 IRS に対してスケールしやすいが反復更新は最適ではない。
• 大規模 IRS は秘密度 rate およびエネルギー効率の点で単に送信機アンテナ数を増やすより優れている。
• より大きな IRS の展開は、送信機の RF チェーンを増やすよりも secrecy 性能を向上させる上でエネルギー効率が高いことが示されている。