[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface: A Programmable Wireless Environment for Physical Layer Security

Jie Chen, Ying‐Chang Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、基地局のビームフォーミングとIRSの反射係数を共同最適化することにより、下行MISOブロードキャストシステムにおける物理層セキュリティを向上させる知能反射表面（IRS）を提案する。実用的制約のもとで最小秘匿レートを最大化するアプローチであり、収束する反復アルゴリズムにより、局所最適解に到達し、顕著な秘匿レート向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we introduce an intelligent reflecting surface (IRS) to provide a programmable wireless environment for physical layer security. By adjusting the reflecting coefficients, the IRS can change the attenuation and scattering of the incident electromagnetic wave so that it can propagate in a desired way toward the intended receiver. Specifically, we consider a downlink multiple-input single-output (MISO) broadcast system where the base station (BS) transmits independent data streams to multiple legitimate receivers and keeps them secret from multiple eavesdroppers. By jointly optimizing the beamformers at the BS and reflecting coefficients at the IRS, we formulate a minimum-secrecy-rate maximization problem under various practical constraints on the reflecting coefficients. The constraints capture the scenarios of both continuous and discrete reflecting coefficients of the reflecting elements. Due to the non-convexity of the formulated problem, we propose an efficient algorithm based on the alternating optimization and the path-following algorithm to solve it in an iterative manner. Besides, we show that the proposed algorithm can converge to a local (global) optimum. Furthermore, we develop two suboptimal algorithms with some forms of closed-form solutions to reduce the computational complexity. Finally, the simulation results validate the advantages of the introduced IRS and the effectiveness of the proposed algorithms

研究の動機と目的

• 従来の無線システムが伝搬環境を制御できないため、セキュリティと性能が劣るという制限を是正すること。
• IRSを用いてプログラマブルな無線環境を設計し、信号の反射を受動的に再構成することで秘匿レートを向上させること。
• 連続的および離散的位相シフトという実用的制約のもとで、基地局のビームフォーマーとIRSの反射係数を共同最適化すること。
• 複数の正当なユーザー間で最小秘匿レートを最大化しつつ、盗聴者からの信号漏洩を防ぐこと。
• 実用的導入を想定し、閉形式解を有する低複雑度の部分最適アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• パワー制約および反射係数制約のもとで非凸な最小秘匿レート最大化問題を定式化する。
• ビームフォーマーとIRS位相シフトの間で交互最適化を実施し、収束を保証するパスフォローリングアルゴリズムを用いる。
• 非凸性に対処するため、秘匿レートの下界近似を用い、反復的最適化を可能にする。
• ビームフォーミングおよび位相シフト最適化サブ問題を解くために逐次凸近似法を実装する。
• 計算複雑度を低減するため、部分最適アルゴリズムの閉形式解を導出する。
• 提案アルゴリズムがKKT点に収束することを証明し、局所最適性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザーMISO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、知能反射表面（IRS）をどのように活用できるか？
• RQ2 最小秘匿レートを最大化するための、ビームフォーミングとIRS反射係数の最適な共同設計は何か？
• RQ3 離散的位相シフトなどの実用的制約が、秘匿レートおよびシステム設計に与える影響は何か？
• RQ4 非凸最適化問題に対して収束保証付きの反復アルゴリズムを開発できるか？
• RQ5 IRSベースの物理層セキュリティは、従来のシステムに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案されたIRSベースのシステムは、IRSを備えない従来のシステムに比べ、最小秘匿レートが顕著に向上する。
• 交互最適化とパスフォローリングを組み合わせた反復アルゴリズムは、局所的（しばしばグローバルな）最適解に収束する。
• 閉形式解を有する部分最適アルゴリズムは、顕著に低い計算複雑度でほぼ最適な秘匿レートを達成する。
• 特に盗聴者チャネルが強い状況において、顕著な秘匿レート向上が得られる。
• 理論的分析により、最適IRS反射係数が意図されたユーザーのチャネル方向に一致することが確認され、ビームフォーミングゲインが向上することが示された。
• 最適ビームフォーミングおよびIRS反射設計におけるランク1構造が証明され、計算の効率化が可能となった。