[論文レビュー] OptM3Sec: Optimizing Multicast IRS-Aided Multiantenna DFRC Secrecy Channel with Multiple Eavesdroppers

Kumar Vijay Mishra, Arpan Chattopadhyay+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、複数の盗聴者（ED）が存在する状況下で、インтелиジェント反射汎用表面（IRS）を統合したマルチキャスト多アンテナ二機能レーダ・通信（DFRC）システムの物理層秘匿レート最大化フレームワーク、OptM3Secを提案する。確率的SPSAに基づくアルゴリズムを用いて送信予測行列とIRS位相シフトを共同最適化することで、特に高送信電力および複数ED環境下で顕著な秘匿レート向上を達成する。

ABSTRACT

With the use of common signaling methods for dual-function radar-communications (DFRC) systems, the susceptibility of eavesdropping on messages aimed at legitimate users has worsened. For DFRC systems, the radar target may act as an eavesdropper (ED) that receives a high-energy signal thereby leading to additional challenges. Unlike prior works, we consider a multicast multi-antenna DFRC system with multiple EDs. We then propose a physical layer design approach to maximize the secrecy rate by installing intelligent reflecting surfaces in the radar channels. Our optimization of multiple ED multicast multi-antenna DFRC secrecy rate (OptM3Sec) approach solves this highly nonconvex problem with respect to the precoding matrices. Our numerical experiments demonstrate the feasibility of our algorithm in maximizing the secrecy rate in this DFRC setup.

研究の動機と目的

• 高い送信電力により、レーダターゲットが通信信号を盗聴する可能性が高まるマルチキャスト多アンテナDFRCシステムにおける盗聴リスクの増大に対処する。
• 単一の盗聴者やユニキャスト伝送を仮定する先行研究の制限を克服し、複数のEDを含むより現実的な状況をモデル化する。
• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を活用して、合法ユーザーへの安全な通信を強化するとともに、レーダターゲットにおける所定の信号対インターーフェアランスおよびノイズ比（SINR）を維持しつつ、マルチキャストDFRCシステムの秘匿レートを最大化する。
• 合法ユーザーおよび盗聴者への直接経路およびIRS経由の間接経路を考慮した、送信予測行列とIRS位相シフトの共同最適化フレームワークを設計する。
• 送信電力制約とレーダターゲットのSINR要件を組み込むことで、ターゲットが盗聴者として機能する場合でも実行可能性とロバスト性を確保する。

提案手法

• 複数のEDを含むマルチキャスト多アンテナDFRCシステムの秘匿レート最大化問題を定式化し、直接経路およびIRS反射経路の両方を組み込む。
• MIMOレーダ、複数の多アンテナユーザー、N個の受動的反射素子を有するIRS、およびK体の多アンテナ盗聴者を含むシステムをモデル化する。
• 最適化を3つの部分問題に分解する：合法ユーザー向けビームフォーミング、ED向け人工ノイズビームフォーミング、およびIRS位相シフト最適化。
• 2段階の反復的アルゴリズムを採用：まず、データと人工ノイズのための予測行列（WとB）を最適化し、次に同時摂動確率的近似（SPSA）を用いてIRS位相シフトを最適化する。
• SPSAを用いてIRS位相シフト最適化問題の非凸性に対処し、ランダムな摂動と勾配近似を用いて反復的に位相シフトを更新する。
• 位相シフトの更新を[0, π]に射影することで、実行可能性を維持し、標準的なSPSA収束条件を満たすようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の盗聴者（ED）が存在するマルチキャスト多アンテナDFRCシステムにおいて、秘匿レートにどのような影響を与えるか？
• RQ2 インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）は、複数のEDを伴うDFRCシステムにおいて、どの程度秘匿レートを向上させられるか？
• RQ3 送信予測行列とIRS位相シフトの共同最適化は、IRSなしのシステムと比較して秘匿レート性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 マルチキャストIRS支援DFRCシステムにおいて、送信電力が増加するに従って秘匿レートはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 提案されたOptM3Secアルゴリズムは、IRSなしまたは固定IRS位相を採用するベースライン手法と比較して、どの程度の秘匿レート向上を達成するか？

主な発見

• 提案されたOptM3Secアルゴリズムは、複数の盗聴者を伴うマルチキャストIRS支援MIMO DFRCシステムにおける秘匿レートを顕著に向上させる。特に高送信電力下で顕著な効果を示す。
• 単一の盗聴者が存在する状況では、送信電力が増加するに従い秘匿レートが上昇し、IRSの存在により非IRSベースラインと比較して顕著な性能向上が得られる。
• 2体の盗聴者が存在する場合、盗聴能力の上昇により秘匿レートはわずかに低下するが、依然として非IRSベースラインと比較して著しいレート向上を実現する。
• SPSAに基づくIRS位相シフト最適化は、問題の非凸性を効果的に処理し、実行可能かつ高性能な解に収束する。
• 送信波形に人工ノイズを埋め込むことで、レーダターゲット（盗聴者として機能する場合も含む）における所定のSINRを維持する。これにより、レーダ機能と通信セキュリティの両立が可能になる。
• 数値結果により、共同予測行列と位相シフト最適化戦略の実行可能性と有効性が確認され、実用的なDFRC展開における物理層秘匿性の向上が裏付けられる。