[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission: Outage-Constrained Energy-Efficiency Maximization.

Zongze Li, Shuai Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、不完全な盗聴者チャネル状態情報（CSI）下で再構成可能知能表面（RIS）を用いた、新規のエネルギー効率の高いセキュアな伝送方式を提案する。確率的制約の変換と変数の分離を経て、逐次差分凸プログラミング（DC）と半定値緩和（SDR）を用いて位相シフト、電力割当、伝送レートを最適化し、高いエネルギー効率を達成する。低複雑性の一次順序アルゴリズムにより、計算時間を2桁以上短縮しつつ、性能を維持し、ランダム、固定、CSI無視型RIS方式を著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has the potential to significantly enhance the network secure transmission performance by reconfiguring the wireless propagation environment. However, due to the passive nature of eavesdroppers and the cascaded channel brought by the RIS, the eavesdroppers' channel state information is imperfectly obtained at the base station. Under the channel uncertainty, the optimal phase-shift, power allocation, and transmission rate design for secure transmission is currently unknown due to the difficulty of handling the probabilistic constraint with coupled variables. To fill this gap, this paper formulates a problem of energy-efficient secure transmission design while incorporating the probabilistic constraint. By transforming the probabilistic constraint and decoupling variables, the secure energy efficiency maximization problem can be solved via alternatively executing difference-of-convex programming and semidefinite relaxation technique. To scale the solution to massive antennas and reflecting elements scenario, a fast first-order algorithm with low complexity is further proposed. Simulation results show that the proposed first-order algorithm achieves identical performance to the conventional method but saves at least two orders of magnitude in computation time. Moreover, the resultant RIS aided secure transmission significantly improves the energy efficiency compared to baseline schemes of random phase-shift, fixed phase-shift, and RIS ignoring CSI uncertainty.

研究の動機と目的

• 不完全で不確実な盗聴者チャネル状態情報（CSI）を有するRIS支援ネットワークにおけるセキュア伝送の課題に対処すること。
• チャネル不確実性に起因する確率的サービス品質（QoS）制約の下で、セキュアなエネルギー効率最大化問題を定式化すること。
• 不完全なCSI下でエネルギー効率を最大化するため、RISの位相シフト、電力割当、伝送レートの共同最適化を設計すること。
• マスティブ MIMO および大規模 RIS デプロイメントにスケーラブルな低複雑性一次順序アルゴリズムを設計すること。
• ランダム位相シフト、固定位相シフト、およびCSI不確実性を無視するRIS方式といったベースライン方式との性能向上を評価すること。

提案手法

• チャネル不確実性を扱うために、凸近似技術を用いて確率的制約を決定的同等に変換する。
• 位相シフト、電力割当、レートの連携変数を逐次最適化により分離する。
• 位相シフト最適化サブプロブレムにおける非凸性を扱うために差分凸（DC）プログラミングを適用する。
• 非凸サブプロブレムを近似するため、半定値緩和（SDR）を用い、近似的最適解を取得する。
• マスティブアンテナおよび反射素子の状況に適応する、計算複雑性が低い高速一次順序アルゴリズムを設計する。
• 逐次凸近似を用いてサブプロブレムを繰り返し解き、収束性とスケーラビリティを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全な盗聴者CSI下で、RIS支援セキュア伝送におけるエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 確率的機密アウトージ（secrecy outage）制約下で、位相シフト、電力割当、伝送レートの最適な共同設計は何か？
• RQ3 確率的制約を伴う非凸で連携した最適化問題は、どのように効果的に分離・解消できるか？
• RQ4 低複雑性の一次順序アルゴリズムは、高複雑性手法と同等の性能を達成しつつ、大規模システムにスケーリング可能か？
• RQ5 本稿で提案する方式は、ランダムまたは固定位相シフトといったベースラインRIS設定に比べて、どの程度の性能向上を示すか？

主な発見

• 提案された一次順序アルゴリズムは、従来手法と同等の性能を達成するが、計算時間を最低2桁以上短縮する。
• RIS支援セキュア伝送方式は、ランダム位相シフト、固定位相シフト、およびCSI不確実性を無視するRIS方式といったベースライン方式と比較して、顕著なエネルギー効率の向上を実現する。
• 確率的制約下での位相シフト、電力割当、伝送レートの共同最適化により、セキュアなエネルギー効率が顕著に向上する。
• 確率的制約の変換と変数の分離により、非凸で連携した最適化問題を効果的に処理できる。
• 本手法は、マスティブアンテナおよび反射素子を有する大規模なシナリオでも高い性能を維持する。
• DCプログラミングと半定値緩和の併用により、問題の非凸性にもかかわらず、高品質な解への収束が可能となる。