[論文レビュー] Secure Wireless Communication in RIS-Aided MISO Systems with Hardware Impairments

Gui Zhou, Cunhua Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、残留受信機器ハードウェアインパルメントの影響を受ける再構成可能知能表面（RIS）支援MISOシステムにおいて、セキュリティレートを最大化するロバストビームフォーミング設計を提案する。逐次凸近似（SCA）と半正定値計画法（SDP）を用いた交互最適化により、基地局のアクティブビームフォーミングとRISのパassingビームフォーミングを共同最適化することで、特に高いハードウェアインパルメントレベル下でも、非ロバストなベンチマークに比べ優れたセキュリティ性能を達成する。

ABSTRACT

In practice, residual transceiver hardware impairments inevitably lead to distortion noise which causes the performance loss. In this paper, we study the robust transmission design for a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided secure communication system in the presence of transceiver hardware impairments. We aim for maximizing the secrecy rate while ensuring the transmit power constraint on the active beamforming at the base station and the unit-modulus constraint on the passive beamforming at the RIS. To address this problem, we adopt the alternate optimization method to iteratively optimize one set of variables while keeping the other set fixed. Specifically, the successive convex approximation (SCA) method is used to solve the active beamforming optimization subproblem, while the passive beamforming is obtained by using the semidefinite program (SDP) method. Numerical results illustrate that the proposed transmission design scheme is more robust to the hardware impairments than the conventional non-robust scheme that ignores the impact of the hardware impairments.

研究の動機と目的

• 残留受信機器ハードウェアインパルメントによるRIS支援物理層セキュリティの性能劣化を解消すること。
• 送信パワー制約および単位モジュラス制約を考慮し、ハードウェアインパルメントに起因する歪みノイズを反映したセキュリティレート最大化問題を定式化すること。
• 基地局のアクティブビームフォーミングとRISのパassingビームフォーミングを共同最適化するロバスト伝送設計を開発すること。
• 従来の非ロバスト設計とは異なり、現実のハードウェア不完全性に対しても有効であることを保証すること。

提案手法

• 他の変数を固定した上で、アクティブビームフォーミングとパassingビームフォーミングを交互に最適化するための交互最適化（AO）を採用する。
• 非凸なアクティブビームフォーミング部分問題を二次錐計画法（SOCP）に変換するために逐次凸近似（SCA）を用いる。
• ユニットモジュラス制約を緩和することで、パassingビームフォーミング部分問題を半正定値計画法（SDP）で解く。
• ハードウェアインパルメントに起因する歪みノイズを、信号パワーに比例する分散をもつ加法的ガウスノイズとしてモデル化する。
• 歪みノイズモデルをセキュリティレート最適化に統合し、ロバスト性を確保する。
• セキュリティレートの単調増加と目的関数の有界性を示すことにより、AOアルゴリズムの収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 残留ハードウェアインパルメントは、RIS支援MISOシステムにおけるセキュリティレートにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ロバストビームフォーミング設計は、RIS支援セキュアシステムにおけるハードウェアインパルメントに起因する性能劣化を緩和できるか？
• RQ3 ハードウェアインパルメントの配置（基地局 vs. ユーザー）と深刻度が、システムのセキュリティレートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 ハードウェアインパルメントが存在する状況下で、提案されたロバスト設計は非ロバスト設計に比べてどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ5 RIS反射素子の数を増加させると、ハードウェアインパルメント下でのセキュリティレートにどのような影響があるか？

主な発見

• 提案されたロバストビームフォーミング方式は、特に高いハードウェアインパルメントレベル下で非ロバスト設計を著しく上回る性能を示す。
• 送信パワーが増加するに従い、歪みノイズが信号パワーに比例して増大するため、セキュリティレートは飽和する。
• 正当なユーザーに生じるハードウェアインパルメントは、基地局に生じる場合よりも、受信機における相対的ノイズパワーが高いため、セキュリティレートにより大きな悪影響を与える。
• RIS素子数の増加はセキュリティレートを向上させるが、ハードウェアインパルメントレベルが高くなるとその利得は減少する。
• RISを用いたロバスト方式は、非RISロバスト方式よりも優れたセキュリティ性能を達成しており、RISとロバスト設計の併用効果を示している。
• AOアルゴリズムは単調に収束し、計算複雑度はSOCP（$ frac{1}{2}N^3$）とSDP（$ frac{1}{2}M^{3.5}$）部分問題に支配される。