[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Assisted Secrecy Communication: Is Artificial Noise Helpful or Not?

Xinrong Guan, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、人工ノイズ（AN）が IRS 支援システムの secrecy rate を改善するかを調査し、送信ビームフォーミング、AN、および IRS 反射ビームフォーミングを共同設計する交互最適化アルゴリズムを提案します。

ABSTRACT

In this letter, we investigate whether the use of artificial noise (AN) is helpful to enhance the secrecy rate of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted wireless communication system. Specifically, an IRS is deployed nearby a single-antenna receiver to assist in the transmission from a multi-antenna transmitter, in the presence of multiple single-antenna eavesdroppers. Aiming to maximize the achievable secrecy rate, a design problem for jointly optimizing transmit beamforming with AN or jamming and IRS reflect beamforming is formulated, which is however difficult to solve due to its non-convexity and coupled variables. We thus propose an efficient algorithm based on alternating optimization to solve the problem sub-optimally. Simulation results show that incorporating AN in transmit beamforming is beneficial under the new setup with IRS reflect beamforming. In particular, it is unveiled that the IRS-aided design without AN even performs worse than the AN-aided design without IRS as the number of eavesdroppers near the IRS increases.

研究の動機と目的

• IRS 支援の秘密通信における人工ノイズの必要性と利点を評価する。
• 送信ビームフォーミング、ジャミング、及び IRS 反射ビームフォーミングを合わせて設計するための、効率的な準最適最適化アルゴリズムを開発する。
• AN の有効性が送信電力、盗聴者数、及び IRS 要素数に応じてどのように変化するかを定量化する。

提案手法

• M-antenna 送信機（Alice）と単一天線 Bob が、N 要素の IRS（Rose）を介して伝送を支援するモデルを、K 個の単一天線の eavesdroppers（Eves）が存在する状況で扱う。
• 総電力制約の下、送信ビームフォーミング f1、AN ジャミング f2、IRS 位相シフト v に対する secrecy rate 最大化問題を定式化する。
• ランク-1 制約を扱うために半正定値緩和（SDR）を適用し、v を与えたときの (F1,F2) および (F1,F2) を与えたときの v を解く交互最適化フレームワークを用いる。
• 非凸目的関数を凸化するために Lemma 1 を用いた変分境界を適用し、サブ問題 (P1.1)-(P1.5) および (P2.1)-(P2.2) に導く。
• SDR 解からビームフォーミングベクトルを復元し、必要に応じて Gaussian randomization を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AN を含めると IRS 支援秘密通信で secrecy rate の利得が得られるか。
• RQ2 AN が最も有益になる条件とシステム構成（盗聴者数、IRS 要素数、電力予算）は何か。
• RQ3 AN の有無にかかわらず secrecy rate を最大化するために、送信ビームフォーミングとIRS 反射ビームフォーミングをどのように共同設計すべきか。
• RQ4 AN 有効な IRS 設計と AN 不要な IRS 設計の比較性能は、状況が変化するとどうなるか（例：近接/遠方の盗聴者、高い送信電力）？

主な発見

• AN ベースの設計は、送信電力が大きい場合や盗聴者数が多い場合に秘密率を向上させる。
• IRS を用いると、盗聴者が IRS に近い、または Bob/盗聴者が Rose に近接する挑戦的な設定で、AN が AN なしの設計よりも性能を上回る可能性がある。
• IRS 要素数を増やすと、盗聴者が IRS に近い設定では AN の相対的な利点が小さくなるが、盗聴者が遠い場合にはそうではない。
• AN は、特に盗聴者数が増え、ビームフォーミングからの DoF が不足する場合でも、IRS 支援の秘密通信でも有用であり続ける。
• 提案された交互最適化アルゴリズムは、 jointly design の準最適解を効果的に得る。