[論文レビュー] Robust and Secure Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided mmWave MISO Systems

Xingbo Lu, Weiwei Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、複数の単一素子アンテナを備えた盗聴者（Eve）とEveチャネルの不完全なチャネル状態情報（CSI）を有する、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援型ミリ波MISOシステムにおける、ロバストで安全なビームフォーミング（RSBF）方式を提案する。不確実なEveチャネルを離散的なAOAサンプルの重み付き組み合わせとしてモデル化し、半定値緩和（SDR）を用いた交互最適化を適用することで、総電力制約およびユニットモジュラス制約の下で、最悪ケースの秘匿スループットを最大化する。この方式は、CSIの不確実性下でも、ベンチマークと比較して優れた秘匿性能を達成する。

ABSTRACT

In this letter, we investigate the robust and secure beamforming (RSBF) in an intelligent reflecting surface (IRS) aided millimeter wave (mmWave) multiple input single output (MISO) system, where multiple single antenna eavesdroppers (Eves) are arbitrarily distributed nearby the legitimate receiver. Considering the channel state information (CSI) of Eves' channels is imperfectly known at the legitimate transmitter, the RSBF design problems to maximize the worst case of achievable secrecy rate (ASR) are formulated under the total transmission power and unit-modulus constraints. Since the problems are difficult to solve optimally due to their nonconvexity and coupled variables, we substitute the wiretap channels by a weighted combination of discrete samples and propose a RSBF scheme based on alternating optimization and semidefinite relaxation (SDR) techniques, for both colluding and noncolluding eavesdropping scenarios. Simulation results show that the proposed RSBF scheme can effectively improve the ASR and also outperforms other benchmark schemes.

研究の動機と目的

• IRS支援型ミリ波MISO秘匿システムにおける、盗聴者CSIの不完全性という課題に対処すること。
• 盗聴者チャネルのアングル・オブ・アレイバル（AoA）の不完全な知識下で、最悪ケースの実現可能秘匿スループット（ASR）を最大化すること。
• 盗聴者チャネル状態情報の不確実性に対して耐性を持つ、ロバストビームフォーミング方式の設計。
• 最適化フレームワーク内で、協調的および非協調的盗聴の両状況を考慮すること。
• 交互最適化および半定値緩和（SDR）を用いて、部分最適だが効率的なアルゴリズムの開発。

提案手法

• CSIの不確実性を表現するために、離散的なAOAサンプルの重み付き組み合わせを用いて、不確かなEveチャネルをモデル化する。
• 総電力およびユニットモジュラス制約下で、最悪ケースのASRを最大化する非凸最適化問題として、ロバストな安全ビームフォーミング（RSBF）問題を定式化する。
• 半定値緩和（SDR）を用いて、非凸問題を凸形に変換し、凸最適化手法による効率的解法を可能にする。
• 交互最適化を適用し、アクティブビームフォーミングベクトルとIRS位相シフトを逐次最適化する。
• リラクゼーションされたSDR問題からのランク1解を回復するために、ガウス確率化を用いる。
• 協調的および非協調的盗聴ケースのそれぞれに対して、別々の定式化を用いて、得られた凸部分問題を交互に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者のCSIが不完全に知られている場合、IRS支援型ミリ波MISOシステムにおけるロバストビームフォーミングはどのように設計できるか？
• RQ2 AoAの不確実性は、IRS支援型物理層セキュリティにおける最悪ケースの実現可能秘匿スループットにどのような影響を与えるか？
• RQ3 CSIの不確実性下で、MRTおよび平均ベースビームフォーミングといったベンチマーク方式と比較して、提案されたRSBF方式はどのように異なるか？
• RQ4 協調的および非協調的盗聴の両状況において、提案された方式は高い秘匿スループットを維持できるか？
• RQ5 実用的なCSI不確実性下で、提案されたRSBF方式は、既存の手法に比べて最悪ケースのASRにおいてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案されたRSBF方式は、特にAoAの不確実性が高い状況下で、ベンチマーク方式と比較して最悪ケースの実現可能秘匿スループット（ASR）を顕著に向上させる。
• MRTベースの方式のASRは安定しているが、AoA誤差が増加するにつれて性能が著しく低下するため、盗聴者CSIの不確実性に対して耐性が乏しいことが示された。
• 平均ベース方式は、AoA誤差が増加するにつれてASRが急激に低下する傾向を示し、提案されたRSBF方式の不確実性への優位性が裏付けられた。
• 全送信電力レベルにおいて、提案されたRSBF方式は完璧なCSI上界との差を小さく保っていることから、そのロバスト性が確認された。
• 協調的盗聴状況では、MRTベース方式のASRは高電力でもほぼゼロに近いままに保たれる一方、提案されたRSBF方式は顕著な秘匿スループット向上を達成した。
• 近接した盗聴者および不完全なCSI下でも、情報漏洩を効果的に低減できることから、実用的なIRS支援型安全なミリ波システムにおける有効性が確認された。