[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface (IRS)-Aided Covert Wireless Communication with Delay Constraint

Xiaobo Zhou, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、遅延制約下で隠れ通信の確実性とスペクトル効率を向上させる知能反射表面（IRS）支援型の隠れ通信システムを提案する。送信パワーとIRSの反射係数を共同最適化することで、ペナルティ逐次凸近似（PSCA）アルゴリズムと低複雑性の2段階手法を用い、単一アンテナ送信機であっても完全な隠れ通信性を達成し、従来のIRSなしシステムを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This work examines the performance gain achieved by deploying an intelligent reflecting surface (IRS) in covert communications. To this end, we formulate the joint design of the transmit power and the IRS reflection coefficients by taking into account the communication covertness for the cases with global channel state information (CSI) and without a warden's instantaneous CSI. For the case of global CSI, we first prove that perfect covertness is achievable with the aid of the IRS even for a single-antenna transmitter, which is impossible without an IRS. Then, we develop a penalty successive convex approximation (PSCA) algorithm to tackle the design problem. Considering the high complexity of the PSCA algorithm, we further propose a low-complexity two-stage algorithm, where analytical expressions for the transmit power and the IRS's reflection coefficients are derived. For the case without the warden's instantaneous CSI, we first derive the covertness constraint analytically facilitating the optimal phase shift design. Then, we consider three hardware-related constraints on the IRS's reflection amplitudes and determine their optimal designs together with the optimal transmit power. Our examination shows that significant performance gain can be achieved by deploying an IRS into covert communications.

研究の動機と目的

• 遅延制約下における無線通信の隠れ通信性と信頼性が、知能反射表面（IRS）によってどのように向上するかを調査すること。
• 監視者が瞬時のチャネル状態情報（CSI）を保有しているか否かにかかわらず、隠れ通信性を維持する課題に対処すること。
• 実用的なハードウェア制約下で、送信パワーとIRSの反射係数を共同最適化する低複雑性の送信戦略を設計すること。
• 隠れ通信性を保証するとともに通信レートを最大化するための最適位相シフトとパワー割り当ての解析的表現を導出すること。

提案手法

• グローバルCSIのもとで、通信レートを最大化するとともに隠れ通信性を確保するための、送信パワーとIRSの反射係数の共同最適化問題を定式化する。
• グローバルCSI下での非凸最適化問題を解くために、ペナルティ逐次凸近似（PSCA）アルゴリズムを開発する。
• 計算コストを低減するための、送信パワーとIRSの反射係数の閉形式表現を導出する低複雑性の2段階アルゴリズムを提案する。
• 監視者が瞬時のCSIを保有しない場合の解析的隠れ通信制約を導出し、最適な位相シフト設計を可能にする。
• IRSの反射アモニチュードにかかるハードウェア制約（例：定常アモニチュード、位相シフトの制限）を組み込み、その最適な設定を同定する。
• 数学的解析と凸最適化技術を用いて、提案手法の妥当性と収束性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSを用いることで、単一アンテナ送信機においても完全な隠れ通信性が達成可能であるか。その場合、どのような条件下で達成可能か？
• RQ2 監視者が瞬時のCSIを保有しない場合、隠れ通信性を達成する送信戦略の設計にどのような影響が生じるか？
• RQ3 隠れ通信性およびハードウェア制約下で、通信レートを最大化するための送信パワーとIRSの反射係数の最適な共同設計は何か？
• RQ4 計算負荷を低減しつつ、近似的最適性能を達成する低複雑性のアルゴリズムはどのように設計できるか？

主な発見

• 単一アンテナ送信機においても、IRSを用いることで完全な隠れ通信性が達成可能であり、同じ設定でIRSなしでは不可能な成果である。
• 提案されたPSCAアルゴリズムは、グローバルCSI下で共同最適化問題を効果的に解き、高い通信レートと隠れ通信性を両立する。
• 低複雑性の2段階アルゴリズムは、導出された解析的表現を用いることで、著しく低い計算複雑性で近似的最適性能を達成する。
• 解析的隠れ通信制約により、監視者が瞬時のCSIを保有しない場合でも、効果的な位相シフト設計が可能になる。
• IRSの反射アモニチュードにかかるハードウェア制約が適切にモデル化され、最適化され、隠れ通信性を損なわずに実用的妥当性が確保される。
• シミュレーション結果から、IRSの導入が隠れ通信性およびスペクトル効率の両面で顕著な性能向上をもたらすことが確認された。