[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Assisted Secure Wireless Communications with Multiple-Transmit and Multiple-Receive Antennas

Weiheng Jiang, Yu Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、複数アンテナを備えたアクセスポイント（AP）および正当なユーザーを備えたインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援型のセキュアMIMO無線通信システムを提案し、秘密速率を最大化するために、APの送信共分散行列とIRSの位相シフトを共同最適化する。連続的および離散的IRS位相シフトの両方に対して、逐次凸近似（SCA）を用いた交互最適化（AO）ベースのアルゴリズムを開発し、個々の反射係数について閉形式解を達成し、8段階量子化ですら最小限の性能損失（≤0.02 bits/s/Hz）を示す。

ABSTRACT

In this paper, we propose intelligent reflecting surfaces (IRS) assisted secure wireless communications with multi-input and multi-output antennas (IRS-MIMOME). The considered scenario is an access point (AP) equipped with multiple antennas communicates with a multi-antenna enabled legitimate user in the downlink at the present of an eavesdropper configured with multiple antennas. Particularly, the joint optimization of the transmit covariance matrix at the AP and the reflecting coefficients at the IRS to maximize the secrecy rate for the IRS-MIMOME system is investigated, with two different assumptions on the phase shifting capabilities at the IRS, i.e., the IRS has the continuous reflecting coefficients and the IRS has the discrete reflecting coefficients. For the former case, due to the non-convexity of the formulated problem, an alternating optimization (AO)-based algorithm is proposed, i.e., for given the reflecting coefficients at the IRS, the successive convex approximation (SCA)-based algorithm is used to solve the transmit covariance matrix optimization, while given the transmit covariance matrix at the AP, alternative optimization is used again in individually optimizing of each reflecting coefficient at the IRS with other fixed reflecting coefficients. For the individual reflecting coefficient optimization, the close-form or an interval of the optimal solution is provided. Then, the proposed algorithm is extended to the discrete reflecting coefficient model at the IRS. Finally, some numerical simulations have been done to demonstrate that the proposed algorithm outperforms other benchmark schemes.

研究の動機と目的

• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いたMIMO無線システムにおける物理層セキュリティの向上。
• 秘密速率制約下でのAPの送信ビームフォーミングとIRSの受動的ビームフォーミングの両最適化の課題の解決。
• 連続的および離散的位相シフトモデルの2つのIRS位相シフトモデルを想定した、秘密速率最大化のための共同最適化フレームワークの設計。
• 実用的離散的位相シフトによる性能劣化を評価し、最小限の損失を維持するための十分な量子化ビット数を特定すること。

提案手法

• 複数アンテナAP、正当ユーザー、盗聴者を有するIRS支援型MIMOワイヤートップチャネルの非凸的秘密速率最大化問題を定式化。
• 固定されたIRS反射係数を前提に、逐次凸近似（SCA）を用いて送信ビームフォーミング部分問題を解くために交互最適化（AO）を適用。
• 固定されたIRS係数を前提に、送信ビームフォーミング部分問題を解くために逐次凸近似（SCA）を用いる。
• 連続的および離散的位相シフト仮定下で、個々のIRS反射係数の閉形式最適解を導出。
• 理論的収束保証を有する量子化位相探索戦略を用いて、離散的位相シフトモデルへのアルゴリズムの拡張。
• さまざまなシステム構成下でベンチマーク手法と比較する数値シミュレーションにより、手法の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数アンテナAPおよび正当ユーザーを有するIRS支援型MIMOワイヤートップチャネルにおいて、どのようにして秘密速率を最大化できるか？
• RQ2 連続的位相シフト制約下で、APの送信ビームフォーミングとIRSの受動的ビームフォーミングの最適な共同設計は何か？
• RQ3 離散的位相シフト制約下では、システム性能はどの程度劣化するか。また、近最適な秘密速率を維持するための最小量子化ビット数は何か？
• RQ4 異なるチャネル状態下で、個々のIRS反射係数について閉形式解を導出可能か？
• RQ5 実用的IRSシステムにおける連続的および離散的IRS位相シフトの間の性能ギャップは何か？

主な発見

• 提案されたAO-SCAアルゴリズムは、数値評価において近最適な秘密速率を達成し、ベンチマーク手法を上回る性能を示した。
• 離散的位相シフトの場合、8ビット量子化でも2Wの高出力および20個を超えるIRS素子を有する状況でも、性能損失が0.02 bits/s/Hz未満に抑えられる。
• 連続的および離散的位相シフトモデルの両方において、個々のIRS反射係数の閉形式最適解が導出された。
• 提案された交互最適化フレームワーク下で理論的収束保証を有するため、アルゴリズムは効率的に収束する。
• IRSによる無線伝搬環境の知的再構成によって、顕著な秘密速率向上が達成された。
• 結果から、離散的位相シフトを有するIRSは、連続的位相シフトシステムの性能を非常に良く近似でき、実用的導入に適していることが示された。