[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface-Assisted Secret Key Generation In Multi-antenna Network

You Chen, Guyue Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マルチアンテナ（MISO）システムにおける知的反射表面（IRS）支援型物理層秘密鍵生成方式を提案し、IRSの受動ビームフォーミングを最適化することで、秘密鍵レートを最大化する。正当ユーザーと盗聴者間のチャネル相関をモデル化することで、秘密鍵レートの上界を導出し、半定値緩和（SDR）とテイラー展開に基づくアルゴリズムを提案。このアルゴリズムにより、IRSの位相シフトを共同最適化し、ベンチマーク手法と比較して顕著に高い鍵レートを達成した。

ABSTRACT

Physical-layer key generation (PKG) can generate symmetric keys between two communication ends based on the reciprocal uplink and downlink channels. By smartly reconfiguring the radio signal propagation, intelligent reflecting surface (IRS) is able to improve the secret key rate of PKG. However, existing works involving IRS-assisted PKG are concentrated in single-antenna wireless networks. So this paper investigates the problem of PKG in the IRS-assisted multiple-input single-output (MISO) system, which aims to maximize the secret key rate by optimally designing the IRS passive beamforming. First, we analyze the correlation between channel state information (CSI) of eavesdropper and legitimate ends and derive the expression of the upper bound of secret key rate under passive eavesdropping attack. Then, an optimal algorithm for designing IRS reflecting coefficients based on Semi-Definite Relaxation (SDR) and Taylor expansion is proposed to maximize the secret key rate. Numerical results show that our optimal IRS-assisted PKG scheme can achieve much higher secret key rate when compared with two benchmark schemes.

研究の動機と目的

• IRS支援型物理層秘密鍵生成に関する研究の不足に対処すること。
• 正当ユーザーと盗聴者間のチャネル相関が秘密鍵レートに与える影響をモデル化・分析すること。
• MISOシステムにおけるIRS受動ビームフォーミングと送信ビームフォーミングを共同最適化することで、秘密鍵レートの上界を最大化すること。
• 非凸性を有する鍵レート最大化問題を効率的に処理できる最適化アルゴリズムの開発

提案手法

• L個の受動反射素子から構成されるIRSを有するMISOSE（複数入力・単一出力・単一盗聴者）システムモデルを定式化する。
• 盗聴者CSIと正当ユーザーCSI間の相関に基づき、秘密鍵レートの上界を導出する。
• IRSの反射係数を位相シフトとしてモデル化し、秘密鍵レートを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 分数プログラミングの目的関数を近似するためにテイラー展開を適用し、ランク1制約を処理するために半定値緩和（SDR）を用いる。
• 凸最適化技術を用いて緩和問題を反復的に解く。
• 実際のパスロスおよびレイノルズフェイジングモデルを用いたシミュレーションにより、アルゴリズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援MISOシステムにおける盗聴者と正当ユーザー間のチャネル相関は、秘密鍵レートの上界にどのように影響を与えるか？
• RQ2 チャネル相関下で秘密鍵レートを最大化する最適なIRS受動ビームフォーミング設計は何か？
• RQ3 IRS素子数およびBSアンテナ数が秘密鍵レートおよびビット不一致比（BDR）に与える影響は何か？
• RQ4 提案された最適化アルゴリズムは、ランダム位相シフトおよび非IRS方式に比べ、鍵レートおよびBDRにおいて優れているか？

主な発見

• 提案されたIRS支援方式は、特にIRS素子数が増加するにつれて、ランダムIRS位相シフトを用いたベンチマーク方式と比較して顕著に高い秘密鍵レートを達成した。
• 秘密鍵レートはIRS素子数Lの増加に伴い上昇し、IRSが鍵生成における新たな自由度としての価値を示した。
• 盗聴者と正当ユーザー間のチャネル相関が高まることで秘密鍵レートは低下し、LおよびMが増加するにつれてその低下が顕著になった。
• 正当な通信相手間のチャネルゲインの一貫性が向上したため、ビット不一致比（BDR）が提案方式で低減した。
• 提案されたSDRおよびテイラー展開に基づくアルゴリズムは、シミュレーション結果において、ランダム位相シフトおよび非IRS方式を凌駆する秘密鍵レートを効果的に最大化した。
• チャネル相関行列の固有値分解を用いて、秘密鍵レートの上界を閉形式で導出し、解析的最適化を可能にした。