[論文レビュー] Secure Visible Light Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Lei Qian, Xuefen Chi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、制御可能なミラーアレイによって実装された知能反射面（IRS）を用いた可視光通信（VLC）システムの物理層セキュリティ技術を提案する。ミラーの向きを最適化して合法ユーザーに反射信号を集束させると同時に、盗聴者への漏洩を最小限に抑えることで、粒子群最適化（PSO）を用いて秘匿レートを最大化し、従来の手法に比べ顕著な秘匿性能の向上を達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRS) can improve the physical layer security (PLS) by providing a controllable wireless environment. In this paper, we propose a novel PLS technique with the help of IRS implemented by an intelligent mirror array for the visible light communication (VLC) system. First, for the IRS aided VLC system containing an access point (AP), a legitimate user and an eavesdropper, the IRS channel gain and a lower bound of the achievable secrecy rate are derived. Further, to enhance the IRS channel gain of the legitimate user while restricting the IRS channel gain of the eavesdropper, we formulate an achievable secrecy rate maximization problem for the proposed IRS-aided PLS technique to find the optimal orientations of mirrors. Since the sensitivity of mirrors' orientations on the IRS channel gain makes the optimization problem hard to solve, we transform the original problem into a reflected spot position optimization problem and solve it by a particle swarm optimization (PSO) algorithm. Our simulation results show that secrecy performance can be significantly improved by adding an IRS in a VLC system.

研究の動機と目的

• 知能反射面（IRS）を活用して、可視光通信（VLC）システムにおける物理層セキュリティを向上させること。
• 合法ユーザーと盗聴者を想定したIRS支援VLCシステムにおけるIRSチャネル利得をモデル化し、達成可能な秘匿レートの下限を導出すること。
• ミラーの向きを最適化して合法ユーザーのチャネル利得を向上させるとともに盗聴者の受信を抑圧することで、達成可能な秘匿レート最大化問題を定式化・解法すること。
• 高次元で感度の高いミラーオリエンテーション最適化問題を、反射スポット位置最適化問題に変換することで計算複雑度を低減すること。

提案手法

• 平面型LED光源（AP）、合法ユーザー（ボブ）、盗聴者（イヴ）を有するIRS支援VLCシステムをモデル化し、IRSとしてミラー配列を用いる。
• ピークパワー制約下での強度変調/直接検出（IM/DD）VLCシステムにおけるIRSチャネル利得と、達成可能な秘匿レートの下限を導出する。
• 高次元かつ感度の高いミラーオリエンテーション最適化問題を、複雑度低減のため反射スポット位置の特定問題に変換する。
• 粒子群最適化（PSO）を用いて反射スポット位置最適化問題を解き、秘匿レートを最大化することを目的とする。
• 2つのミラー制御方式を比較する：固定指向ビームフォーミング（FoB）と反射スポット位置特定（RSF）、RSFは反射スポットの中心を最適化する。
• 幾何光学モデルを用いて照度とチャネル利得を計算し、光源の拡大性および反射スポット領域を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミラー配列によって実装されたIRSは、VLCシステムにおける秘匿レートを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 ミラーの向きを最適化することは、合法ユーザーと盗聴者のチャネル利得の差にどのように影響を与えるか？
• RQ3 IRS支援VLCシステムにおける反射スポット位置は、達成可能な秘匿レートにどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 提案手法RSFは、従来のFoBと比較して、ユーザー位置の変化に伴う秘匿性能と耐障害性において優れているか？
• RQ5 個々のミラー角度ではなく、スポット位置に注目することで、ミラーオリエンテーション最適化の複雑度を低減できるか？

主な発見

• 提案手法RSFは、イヴがボブの位置にちょうど一致する場合を除き、すべてのイヴの位置で正の達成可能な秘匿レートを達成し、FoBおよび非IRS手法を著しく上回る性能を示す。
• イヴがボブに近い位置にいる場合、FoBは信号受信の重複により機能不能になるが、RSFは反射スポットをイヴから逸らすことで、安全を維持する。
• 5×5のミラー配列（1枚あたり0.1 m²）を用いた場合、RSFは全テスト位置で秘匿レートが0.3 nat/チャネル使用以上を維持するが、FoBは不正な領域（0.1 < x_Eve < 0.3 m）ではゼロに低下する。
• ミラーのサイズを増大させることでFoBの性能は向上するが、閾値を超えると、より大きな反射スポットがイヴを含むようになり、秘匿レートがゼロに低下する。RSFは適応的スポット位置決めによりこれを回避する。
• RSFはミラーのサイズに関わらず安全な通信を維持でき、耐障害性とスケーラビリティを示す。一方、FoBはミラーが大きくなると信号漏れが増加し、性能が劣化する。
• シミュレーション結果は、反射スポットがボブを最適にカバーしイヴを除外する位置に配置された場合に秘匿レートが最大になることを確認し、スポット位置に基づく最適化手法の有効性を裏付けた。