[論文レビュー] Secure Transmission for Intelligent Reflecting Surface-Assisted mmWave and Terahertz Systems

Jingping Qiao, Mohamed‐Slim Alouini|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ハードウェア制約下で秘匿性スループットを最大化するため、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mmWave/THzシステムにおける共同送信ビームフォーミングおよび離散位相シフト最適化を提案する。ランク1のチャネルモデルのもとで、閉形式のビームフォーマーを導出し、SDPおよびブロック座標降下法を用いてIRSの位相シフトを最適化することで、盗聴者が信号を遮断または傍受する場合でも、近似的に最適な秘匿性性能を達成する。

ABSTRACT

This letter focuses on the secure transmission for an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) systems, in which a base station (BS) communicates with its destination via an IRS, in the presence of a passive eavesdropper. To maximize the system secrecy rate, the transmit beamforming at the BS and the reflecting matrix at the IRS are jointly optimized with transmit power and discrete phase-shift constraints. It is first proved that the beamforming design is independent of the phase shift design under the rank-one channel assumption. The formulated non-convex problem is then converted into two subproblems, which are solved alternatively. Specifically, the closed-form solution of transmit beamforming at the BS is derived, and the semidefinite programming (SDP)-based method and element-wise block coordinate descent (BCD)-based method are proposed to design the reflecting matrix. The complexity of our proposed methods is analyzed theoretically. Simulation results reveal that the proposed IRS-assisted secure strategy can significantly boost the secrecy rate performance, regardless of eavesdropper's locations (near or blocking the confidential beam).

研究の動機と目的

• 高周波帯のmmWaveおよびTHzシステムにおける物理層セキュリティの課題に対処すること。これらのシステムは高い路損失および遮断に苦しむ。
• 連続位相シフトIRSハードウェアの制限を克服し、離散位相シフトを備えたシステムを設計すること。
• 盗聴者が信号を傍受または遮断する可能性があるIRS支援mmWave/THzネットワークにおけるシステムの秘匿性スループットを最大化すること。
• 基地局の共同送信ビームフォーミングとIRSでの反射ビームフォーミングを最適化する実用的で低複雑度のフレームワークを開発すること。
• ビームミス調整や遮断が生じても、IRSおよび基地局での盗聴に対して耐性を持つこと。

提案手法

• 送信パワー制約および離散位相シフト制約を伴う非凸な秘匿性スループット最大化問題を定式化する。
• ランク1のチャネル仮定のもとで、送信ビームフォーミング設計がIRSの位相シフト設計とは独立していることを証明する。
• 問題を2つの部分問題に分解する：1つは閉形式の送信ビームフォーミング、もう1つは離散位相シフト最適化。
• 最適なパワー割り当ておよびチャネル情報を利用し、基地局の送信ビームフォーマーの閉形式解を導出する。
• IRSの位相シフト設計のための2つの手法を提案する：半定値計画法（SDP）に基づく手法と、要素単位のブロック座標降下法（BCD）に基づく手法。
• 三角関数の再定式化と微分解析を用いてBCD部分問題を解き、逆三角関数を介して各要素ごとに一意の最適位相シフトを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援mmWave/THzシステムにおける送信ビームフォーミングと離散位相シフトの共同最適化は、秘匿性スループットを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 送信パワーおよびIRS反射素子数の増加に伴い、秘匿性スループットの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 盗聴者の位置（IRSに近いか、基地局に近いか）がシステムセキュリティに与える影響は何か？
• RQ4 提案手法は、実用的な離散位相シフトハードウェアを用いて近似的に最適な秘匿性性能を達成できるか？
• RQ5 盗聴者が信号を遮断することで秘匿性スループットに与える影響は何か？また、IRSベースのビームフォーミングはこれを緩和できるか？

主な発見

• 提案手法は、全探索ベンチマークに非常に近い近似的に最適な秘匿性スループット性能を達成し、従来の手法を上回る。
• 秘匿性スループットは送信パワーに単調に増加し、送信パワーが高くなるほど秘匿性スループットも高くなる。
• IRS反射素子数を10から100に増加させることで、ビームフォーミング利得が鋭くなるため、秘匿性スループットが顕著に向上する。
• 盗聴者がIRSまたは基地局に近い位置にいても、特に遮断状態においても高い秘匿性スループットを維持する。
• 離散位相シフト設計のSDPベースおよびBCDベースの手法は、管理可能な計算複雑度で高い性能を達成する。
• ランク1のチャネルモデルのもとで、ビームフォーミング設計はIRSの位相シフトとは独立しており、効率的な2段階最適化が可能になる。