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

Miao Cui, Guangchi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 327

ひとこと要約

本論文は、IRSを用いたセキュア無線システムを調査し、マルチアンテナAPとIRSが協調して、AP送信ビームフォーミングとIRS反射ビームフォーミングを共同設計することで、単一アンテナのeavesdropperに対して secrecy rate を最大化するために交互最適化とSDR技術を用いて設計する。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) can adaptively adjust the phase shifts of its reflecting units to strengthen the desired signal and/or suppress the undesired signal. In this letter, we investigate an IRS-aided secure wireless communication system where a multi-antenna access point (AP) sends confidential messages to a single-antenna user in the presence of a single-antenna eavesdropper. In particular, we consider the challenging scenario where the eavesdropping channel is stronger than the legitimate communication channel and they are also highly correlated in space. We maximize the secrecy rate of the legitimate communication link by jointly designing the AP's transmit beamforming and the IRS's reflect beamforming. While the resultant optimization problem is difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain high-quality suboptimal solution for it by applying the alternating optimization and semidefinite relaxation methods. Simulation results show that the proposed design significantly improves the secrecy communication rate for the considered setup over the case without using the IRS, and outperforms a heuristic scheme.

研究の動機と目的

• IRSを活用して安全な無線通信を促進・実現する。
• eavesdropper が存在する状況で、APとユーザー間のリンクの secrecy rate を、アクティブ(AP)およびパッシブ(IRS)のビームフォーミングを jointly design して最大化する。
• 非凸問題を解くため、交互最適化と SDR に基づく効率的な準最適アルゴリズムを開発する。
• シミュレーションを通じて、IRS非搭載およびヒューリスティック設計と比較して IRS支援設計の性能向上を示す。

提案手法

• N要素のIRSを支援した単一アンテナユーザとの間で通信するMISO APをモデル化する。
• AP送信ビームフォーミング w と IRS反射ビームフォーミング q を joint に最適化して、秘密率 R_sec = [R_U − R_E]^+ を、電力制約とユニットモジュール制約の下で最大化する。
• w のサブ問題を、(B+I/P_AP)^{-1}(A+I/P_AP) の最大固有値を用いた一般化固有ベクトル問題へ変換し、閉形式解を得る。
• IRS依存項を s = [q^T, 1]^T によって表現し、得られた分数目的関数のランク制約を SDR によって緩和する。Charnes-Cooper 変換を適用して SDP を解く。
• QoS様のサブ問題を解く際、SDR解から可 feasible な q を回収するために Gaussian randomization を適用する。
• 収束まで w と q の最適化を繰り返す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eavesdropper のチャネルがより強く、正当なチャネルと空間的相関を持つ場合、IRS は secrecy rate を改善できるか。
• RQ2 AP送信ビームフォーミングとIRS反射ビームフォーミングを共同最適化することで、no-IRS やヒューリスティックな AP-MRT with IRS 設計を上回る利得はどれだけ得られるか。
• RQ3 交互最適化と SDR をどのように適用して、IRS支援ネットワークにおける物理層セキュリティの送信・反射ビームフォーミングを共同設計するか。
• RQ4 提案する交互最適化アルゴリズムの収束特性と計算複雑性はどのようになるか。

主な発見

• IRS支援設計は IRS 未搭載の場合と比較して秘密率を有意に向上させる。
• AP送信ビームフォーミングとIRS反射ビームフォーミングの共同最適化は secrecy 性能の上限に近づき、ヒューリスティックな AP-MRT-with-IRS 設計を上回る。
• 秘密率はより高い AP 送信電力とより大きい IRS サイズ N のとき改善する。
• 提案アルゴリズムは収束し、複雑性は O(N_ite(M^3 + (N+1)^{3.5})) にスケールする。
• シミュレーションは、 constructives IRS 位相調整が正当受信機でのユーザ信号を増幅しつつ、eavesdropper の受信を抑制することを示す。