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

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

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、遅延制約下でも送信の隠蔽性を向上させるインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援するコベント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度の2段階設計を用い、単一アンテナ送信機であっても完全な隠蔽性を達成し、従来のIRSを備えないシステムに比べて顕著な性能向上を実現する。

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

• 監視が厳しいウォーデン（ウィリー）が送信活動を監視する状況において、信頼性の高いコベント無線通信を実現する挑戦に取り組む。
• 従来のコベントシステムの根本的限界、すなわち単一アンテナ送信機ではチャネル制御が不十分なため完全な隠蔽性を達成できないという問題を克服する。
• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を活用し、無線伝搬環境をカスタマイズすることで、意図した受信機へ信号を指向させると同時にウィリーによる検出を最小限に抑えることで、隠蔽性を向上させる。
• 実用的導入を念頭に、特にウォーデンが瞬時のCSIを欠いている状況下で、低複雑度のアルゴリズムを設計する。
• 平均送信パワー制約および遅延制約下でも隠蔽性を維持し、実世界のシナリオにおける信頼性の高いコベント伝送を可能にする。

提案手法

• グローバルなチャネル状態情報（CSI）下で、送信パワーとIRSの反射係数の共同最適化問題を定式化し、単一アンテナ送信機であってもIRSを導入することで完全な隠蔽性が達成可能であることを証明する。
• 非凸最適化問題を解くためにペナルティ逐次凸近似（PSCA）アルゴリズムを提案し、グローバルCSI下で収束が保証され、局所最適解に収束することを保証する。
• 送信パワーとIRS位相シフトの解析的表現を導出する低複雑度の2段階アルゴリズムを構築し、計算コストを顕著に削減しながらも性能を維持する。
• ウォーデンがウィリーのリンクの瞬時のCSIを欠いている場合に、ウィリー受信電力の分布に基づいて解析的隠蔽制約を導出し、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：アモニチュードの不一致、位相量子化）を組み込み、送信パワーとともに最適な設定を同定することで実用的妥当性を確保する。
• 指数積分関数と漸近的解析を用いて隠蔽制約を扱いやすい形に変換し、効率的な最適化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機が単一アンテナである場合に、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）が完全な隠蔽性を実現可能か？
• RQ2 遅延および隠蔽性制約下で、送信パワーとIRS反射係数の共同設計が、どのようにコベントスルーレートを最大化できるか？
• RQ3 ウォーデンがウィリーリンクの瞬時のCSIを欠いている場合、IRSの最適位相シフト設定は何か？
• RQ4 IRSの反射アモニチュードに起因するハードウェア劣化要因が、システムの隠蔽性および性能に与える影響は何か？また、それらを最適に緩和する方法は？
• RQ5 従来のIRSを備えないシステムに比べ、IRS支援コベント通信システムが、達成可能なコベントレートおよび検出アウトージェ確率の観点で、どの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 単一アンテナコベントシステムにIRSを導入することで、完全な隠蔽性が解析的に証明可能であり、これはIRSなしではチャネル制御が不十分なため不可能である。
• 提案されたPSCAアルゴリズムは局所最適解に収束し、グローバルCSI下で隠蔽性の維持能力を顕著に向上させる。
• 低複雑度の2段階アルゴリズムは、計算負荷を著しく削減しながらもほぼ最適性能を達成でき、リアルタイム導入に適している。
• 部分的なCSI下で導出された解析的隠蔽制約により、ウィリーによる送信検出が信頼性を持って行えないよう、最適なIRS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起因するハードウェア制約が隠蔽性に影響を与えることが示され、その最適な設定が導出され、システム性能の維持に寄与する。
• 数値結果により、IRS支援コベント通信が、従来のシステムに比べてコベントレートおよび検出アウトージェ確率の観点で顕著な性能向上を達成することが実証された。