[論文レビュー] Secure Transmission Strategy for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless System

Biqian Feng, Yongpeng Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、物理層セキュリティ制約下でエネルギー消費を最小限に抑えるとともに、知的反射表面（IRS）を用いた無線システムにおける安全な伝送戦略を提案する。ランク1のチャネルでは、アクセスポイント（AP）におけるビームフォーミングベクトルとIRSにおける位相シフトを別々に設計し、フルランクのチャネルでは両者を共同で最適化する。固有値に基づくアルゴリズムおよび半正定値プログラミング／勾配ベースのアルゴリズムを用い、瞬時および統計的CSIの両状況で低複雑性の解を得つつ、顕著なセキュリティレート向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the design of secure transmission frameworks with an intelligent reflecting surface (IRS). Our design aims to minimize the system energy consumption in cases of rank-one and full-rank access point (AP)-IRS links. To facilitate the design, the problem is divided into two parts: design of beamforming vector at AP and phase shift at IRS. In the rank-one channel model, the beamforming vector design and phase shift design are independent. A closed-form expression of beamforming vector is derived. Meanwhile, some algorithms, including the semidefinite relaxation algorithm and projected gradient algorithm, are taken to solve the phase shift problem in the case of instantaneous channel, and in the statistical channel model, the impact of phase shift on the overall system is analyzed. However, since beamforming and phase shift depend on each other in the full-rank model, we refer to conventional wiretap model and utilize an eigenvalue-based algorithm to obtain beamforming vector, while the aforementioned two phase optimization schemes are also applied. Simulation results show that the IRS-enhanced system is envisioned to improve physical layer security.

研究の動機と目的

• 物理層セキュリティ制約下で、IRSを用いた無線システムにおけるシステムエネルギー消費を最小化すること。
• ランク1およびフルランクのAP-IRSチャネルモデル下で、安全な伝送のための共同ビームフォーミングおよび位相シフト最適化問題を扱うこと。
• 瞬時および統計的チャネル状態情報（CSI）下で、ビームフォーミングおよび位相シフト設計のための低複雑性で効果的なアルゴリズムを開発すること。
• LoS（視線）および非視線（NLoS）状況下で、IRSの位相シフトがセキュリティ性能に与える影響を評価すること。
• IRSの導入が、セキュリティレートの向上と盗聴能力の低減により、物理層セキュリティを強化することを実証すること。

提案手法

• 安全な伝送問題を2段階に分解：アクセスポイント（AP）におけるビームフォーミングベクトル設計と、知的反射表面（IRS）における位相シフト最適化。
• ランク1のAP-IRSチャネルでは、閉形式のビームフォーミングベクトルを導出するとともに、半正定値緩和（SDR）および投影勾配降下法（PGD）アルゴリズムを用いて位相シフトを最適化する。
• 統計的CSIの状況では、瞬時のCSIを必要とせず、位相シフトが確立的セキュリティレートに与える影響を分析する。
• フルランクチャネルでは、固有値に基づくビームフォーミングアルゴリズムを採用し、SDPおよびPGDベースの位相シフト最適化と組み合わせることで、結合されたビームフォーミング-位相シフト設計を処理する。
• 単一アンテナの正当ユーザーおよび盗聴者を想定したガウスMISOワイヤータップチャネルモデルを採用し、IRSを位相シフト器を備えた受動的ビームフォーマーとしてモデル化する。
• フルランクチャネルでは、LoSおよびNLoS成分を組み合わせたハイブリッドチャネルモデルを用い、NLoS成分にはRician fadingを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSを用いたシステムにおいて、エネルギー消費を最小限に抑えつつ安全な伝送を確保するため、ビームフォーミングと位相シフトをどのように共同最適化できるか？
• RQ2 ランク1およびフルランクのAP-IRSチャネル条件下で、IRSの導入による物理層セキュリティレート向上の性能向上はどの程度か？
• RQ3 統計的CSI状況下で、IRSの位相シフトが確立的セキュリティレートに与える影響は何か？
• RQ4 位相シフト最適化におけるSDPおよびPGDアルゴリズムの間で、計算複雑性とセキュリティレート性能のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 ランク1チャネルでは、セキュリティ性能に損なわれることなくシステム複雑性を低減するために、ビームフォーミングと位相シフトを分離可能か？

主な発見

• 提案されたビームフォーミングおよび位相シフト設計により、特に正当ユーザーがIRSに近い場合、盗聴者がAPに近い場合に顕著なセキュリティレート向上が達成される。
• ランク1チャネルモデルでは、ビームフォーミングと位相シフト設計が分離可能であり、閉形式のビームフォーミング解が得られ、低複雑性の位相シフト最適化が可能となる。
• フルランクチャネルでは、固有値に基づくビームフォーミングアルゴリズムに加え、SDP/PGDベースの位相シフト最適化を組み合わせることで、高いセキュリティレート性能が達成される。
• シミュレーション結果から、SDPおよびPGDアルゴリズムは同一のセキュリティレート性能を達成するが、PGDはSDPに比べて収束が著しく遅い。
• 正当ユーザーがIRSから遠く離れている場合、信号の減衰によりAPからの距離が増加するにつれて電力消費が増加するが、150mの距離であってもシステムはセキュリティを維持する。
• IRSの位置を中心に、等方的チャネルモデルのため、システムの電力消費パターンは対称的であることが確認され、IRSがカバレッジとセキュリティのバランスを果たす役割を果たしていることが裏付けられる。