[論文レビュー] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Aided Covert Communications

Jinsong Hu, Xiaoqiang Shi+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、遮蔽性制約下でスループットを最大化するため、送信電力とHR-RISの反射・リレーコefficientを共同最適化することで、コvert通信を強化するハイブリッドリレートランスミッティングインテリジェントサーフェス（HR-RIS）を提案する。結果は、たとえアクティブリレーエレメントが少数（例：5個）であっても、従来のパッシブRISを著しく上回ることを示しており、電力制限のため、ある閾値を超えると利得の逓減が生じる。

ABSTRACT

In this paper, we propose to use a hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS) to enhance the performance of a covert communication system. Specifically, the HR-RIS consists of passive reflecting elements and active relay elements to manipulate the wireless signals from a transmitter to a desired receiver while ensuring the covertness of the transmission via avoiding such signals being detected by a warden. To fully explore the benefits offered by the HR-RIS, we first formulate the joint design of the transmit power and relay/reflection coefficients of the HR-RIS as an optimization problem to maximize the covert rate subject to a covertness constraint. To tackle the solution to this optimization problem, we then derive a closed-form expression for an upper bound on covert rate, based on which we develop an alternate algorithm to solve the formulated optimization problem. Our examination shows that the HR-RIS outperforms the traditional RIS in term of achieving a higher covert rate. Interestingly, we also observe the major part of the performance gain brought by the HR-RIS can be obtained by a small number of active relay elements (e.g., 5) and further increasing this number does not improve the covert communication performance.

研究の動機と目的

• 従来のインテリジェントリフレクティングサーフェス（RIS）にアクティブリレーエレメントを統合することで、コvert通信の性能を向上させること。
• パッシブRISに制限された自由度の少なさが、リレーよりもビームフォーミングゲインを制限し、性能を制限する問題を解決すること。
• 送信電力とHR-RIS係数（位相、振幅、リレーゲイン）を共同最適化し、コvertレートを最大化すること。
• ウィリーの帰無仮説と対立仮説間のKullback-Leibler（KL）ダイバージェンスに基づく検出制約を用いて、遮蔽性を確保すること。
• 固定された電力予算下で、性能向上を得るための最適なアクティブエレメント数を特定すること。

提案手法

• ウィリーのKLダイバージェンスに基づく遮蔽性制約下で、ボブのコvertレートを最大化するための共同最適化問題を定式化する。
• 交互最適化（AO）を用い、HR-RIS係数行列と送信電力を交互に最適化する。
• AOアルゴリズムの収束を支援するため、コvertレートの閉形式上界を導出する。
• 送信電力に関して単調増加関数としてのKLダイバージェンスを適用し、与えられた $ \boldsymbol{\theta} $ に対して最適な $ P_a^* $ を特定する。
• 各エレメントが独立した位相と振幅制御が可能な、$ M $ 個のパッシブ反射エレメントと $ K $ 個のアクティブリレーエレメントからなるハイブリッドシステムとしてHR-RISをモデル化する。
• アクティブエレメントには、半二重モードのアンプリファイアンドフォワード（AF）方式を採用し、信号再生と強化されたビームフォーミングゲインを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドリレートランスミッティングインテリジェントサーフェス（HR-RIS）は、従来のパッシブRISに比べ、コvert通信システムで優れた性能を発揮できるか？
• RQ2 固定電力予算下で、HR-RISにおける最適なアクティブリレーエレメント数は何か？（コvertレートを最大化するため）
• RQ3 送信電力とHR-RIS係数の共同最適化は、システムの遮蔽性および信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 アクティブエレメント数を増やすことで常にコvertレートが向上するのか、それとも性能の飽和点が存在するのか？
• RQ5 電力予算制約が、HR-RISを用いたコvertシステムにおけるビームフォーミングゲインと信号増幅にどのように影響を与えるか？

主な発見

• アクティブエレメントによる強化されたビームフォーミングと信号再生のおかげで、HR-RISは従来のパッシブRISよりも顕著に高いコvertレートを達成する。
• 少数のアクティブリレーエレメント（例：5個）で、大部分の性能向上が達成され、この閾値を超えると利得の逓減が生じる。
• 最適点を超えてアクティブエレメント数を増加させると、電力予算の制限のため信号の減衰（$ |\beta_n| < 1 $）が生じ、結果としてコvertレートが低下する。
• 遮蔽性指標として用いられるKLダイバージェンスは、送信電力に関して単調増加であり、任意のHR-RIS構成に対して最適な $ P_a^* $ を正確に特定可能である。
• 提案された交互最適化（AO）アルゴリズムは、収束が早く、コvertレートをほぼ最適に最大化する性能を達成する。
• 数値結果により、$ K=5 $ のHR-RISが、はるかに大きな $ K $ を有するシステムと同等のコvertレートゲインを達成することが確認され、最小限のアクティブエレメント配置の効率性が裏付けられた。