[論文レビュー] Secure Cognitive Radio Communication via Intelligent Reflecting Surface

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、完全、不完全、および盗聴者（Eve）のチャネル状態情報（CSI）なしの状況下で、セキュリティレートを向上させるために知能反射表面（IRS）を支援する認知的無線システムを提案する。送信側のビームフォーマとIRSにおける位相シフトを交互最適化（AO）アルゴリズムを用いて共同最適化することで、特にEveのCSIが完全にない状況では人工雑音（AN）ビームフォーミングにより顕著なセキュリティレート向上を達成し、大多数のシナリオで正のセキュリティレートを保証する。

ABSTRACT

In this paper, an intelligent reflecting surface (IRS) assisted spectrum sharing underlay cognitive radio (CR) wiretap channel (WTC) is studied, and we aim at enhancing the secrecy rate of secondary user in this channel subject to total power constraint at secondary transmitter (ST), interference power constraint (IPC) at primary receiver (PR) as well as unit modulus constraint at IRS. Due to extra IPC and eavesdropper (Eve) are considered, all the existing solutions for enhancing secrecy rate of IRS-assisted non-CR WTC as well as enhancing transmission rate in IRS-assisted CR channel without eavesdropper fail in this work. Therefore, we propose new numerical solutions to optimize the secrecy rate of this channel under full primary, secondary users' channel state information (CSI) and three different cases of Eve's CSI: full CSI, imperfect CSI with bounded estimation error, and no CSI. Simulation results show that our proposed solutions for the IRS-assisted design greatly enhance the secrecy performance compared with the existing numerical solutions with and without IRS under full and imperfect Eve's CSI. And positive secrecy rate can be achieved by our proposed AN aided approach given most channel realizations under no Eve's CSI case so that secure communication also can be guaranteed. All of the proposed AO algorithms are guaranteed to monotonic convergence.

研究の動機と目的

• 送信側のビームフォーマとIRSにおける位相シフトを共同最適化することで、厳密な電力制約および干渉制約下で、IRS支援下の下位認知的無線ワイヤートップチャネル（WTC）におけるセキュリティレートを向上させること。
• 主受信機における厳しい干渉電力制約（IPC）のため、CRネットワークにおけるセキュリティレート性能が制限されるという課題に対処すること。
• 完全なCSI、誤差が有界な不完全なCSI、およびCSIなしの3つの異なる盗聴者CSI状況において、ロバストなセキュリティレート最適化手法を設計すること。
• 提案された最適化アルゴリズムの単調収束性および実用的妥当性を保証すること。
• EveのCSIが完全に不明な状況下でも、人工雑音（AN）ビームフォーミングを用いて安全な通信を保証すること。

提案手法

• 送信側のビームフォーマとIRSにおける位相シフト係数を共同最適化するための交互最適化（AO）アルゴリズムを提案する。
• EveのCSIが完全な場合、非凸問題を解くためにDinkelbach法に基づく解法に加え、逐次近似法とペナルティ法を組み合わせる。
• EveのCSIが不完全な場合、推定誤差が有界であると仮定し、ペナルティに基づく凸-凹プロシージャ（CCCP）を用いて処理する。
• EveのCSIが完全にない場合、盗聴者のチャネルを劣化させる人工雑音（AN）支援ビームフォーミング戦略を導入し、正当な受信機のQoSを維持する。
• IRSの位相シフトに単位ノルム制約を課し、送信側に電力制約、主受信機に干渉制限を課す。
• 厳密なアルゴリズム設計と収束解析により、すべてのAOベースのアルゴリズムが単調収束することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者（Eve）のCSIが完全に与えられる状況下で、IRS支援下の認知的無線WTCにおいて、どのようにしてセキュリティレートを最大化できるか？
• RQ2 EveのCSIが誤差が有界な不完全な状態である場合、最適設計はどのように行われるか？ また、ロバスト性はどのように確保できるか？
• RQ3 EveのCSIが完全に入手できない状況下でも、安全な通信は達成可能か？ また、正のセキュリティレートを保証するためのメカニズムは何か？
• RQ4 ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化は、従来のIRSなしまたはありの手法と比較して、セキュリティ性能をどのように向上させるか？
• RQ5 AN支援伝送においてEveのCSIが完全にない状況下で、正当なユーザーのQoS要件とセキュリティレート向上の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 提案されたAOアルゴリズムは、すべてのCSI状況下で単調収束を達成し、信頼性の高い最適化性能を保証する。
• 完全および不完全なEveのCSI下で、IRS支援下の手法は、IRSあり・なしのベンチマーク手法を著しく上回るセキュリティレートを達成する。
• EveのCSIが完全にない状況では、AN支援方式により大多数のチャネル実現値で正のセキュリティレートを達成し、盗聴者に関する知識が全くなくても安全な通信を保証する。
• シミュレーション結果から、目標SNRが上昇するに従いセキュリティレートも上昇するが、残りの電力がAN信号に割り当てられなくなるため、ある点を過ぎると劣化することが示された。
• 収束速度はシステム次元に依存し、完全なCSIでは4〜16イテレーション、不完全なCSIでは15〜50イテレーションを要し、次元が高くなるほど反復回数が増加する。
• 正当なユーザーのQoSとセキュリティレートの間にはトレードオフが存在し、最適な性能は、目標SNRとANに割り当てられる残余電力のバランスによって達成される。