[論文レビュー] Security Enhancement for Coupled Phase-Shift STAR-RIS Networks

Zheng Zhang, Zhaolin Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、屋内および屋外ユーザー間の最小秘匿容量を最大化し、公平性とセキュリティを確保するため、結合型位相シフトを有するSTAR-RISネットワーク向けにペナルティベースの秘匿ビームフォーミング（PSB）アルゴリズムを提案する。この手法は、位相結合制約下で送信ビームフォーミングと位相シフト係数を共同最適化し、わずか4ビット量子化で連続的位相シフト性能に近い性能を達成する。

ABSTRACT

The secure transmission of the simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) aided communication system is investigated. Considering the coupled phase shifts of STAR-RISs and the fair secrecy requirement of users, a novel secure beamforming design is proposed for addressing the unique full-space mutual eavesdropping of STAR-RIS aided communication. In particular, a penalty based secrecy beamforming algorithm is developed to solve the resulting non-convex optimization problem, where the closed-form solutions of the coupled transmission/reflection coefficients are obtained in each iteration. Numerical results demonstrate that 1) the proposed scheme achieves higher secrecy capacity than conventional RIS; 2) 4-bit discrete phase shifters are sufficient for secrecy guarantee.

研究の動機と目的

• 送信と反射を同時に実行するため、全空間への盗聴が増加するSTAR-RISネットワークにおけるセキュリティ課題に対処すること。
• 結合型位相シフト制約下で、屋内および屋外ユーザー間の秘匿容量に公平性を確保するセキュアなビームフォーミング方式を設計すること。
• 実用的な位相結合および量子化を考慮した、送信ビームフォーミングとSTAR-RISの反射・透過係数を共同で設計する最適化フレームワークを開発すること。
• 従来のRISと比較したSTAR-RISの秘匿性能向上を評価し、近似的最適性能を達成するための最小位相量子化ビット数を特定すること。

提案手法

• 結合型位相シフト制約を有する非凸最適化問題を解くために、ペナルティベースの秘匿ビームフォーミング（PSB）アルゴリズムを提案する。
• 外側ループでは、結合型位相シフト制約を扱うために増強ラグランジュ（AL）緩和を用いる。
• 内側ループでは、ランク1の送信ビームフォーミングベクトルを取得するために半定値緩和（SDR）を適用する。
• 1次最適性条件を用いて、結合型透過および反射係数の閉形式解を導出する。
• 両ユーザー間の最小秘匿容量を最大化することで収束を保証し、公平性を維持する。
• システムモデルはRician fadingチャネルを仮定し、送信パワーおよび位相結合制約下でビームフォーミングとSTAR-RIS位相シフトを共同最適化する。

Figure 1: A coupled phase-shift STAR-RIS aided secrecy downlink network.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信および反射係数が本質的に関連付けられている結合型位相シフトSTAR-RISネットワークにおいて、物理層セキュリティをどのように強化できるか？
• RQ2 公平性制約下で、屋内および屋外ユーザー間の最小秘匿容量を最大化する最適なビームフォーミング戦略は何か？
• RQ3 位相量子化は、結合型位相シフトSTAR-RISシステムにおける秘匿性能にどのように影響するか？
• RQ4 連続的位相シフトと離散的位相シフトの間で、秘匿容量の性能ギャップはどの程度か？

主な発見

• 提案されたPSBアルゴリズムは、従来のRISよりも高い秘匿容量を達成し、STAR-RISの安全通信における優位性を示している。
• 屋内および屋外ユーザー間の最小秘匿容量を最大化することで、本手法は公平性を確保している。
• わずか4ビットの位相量子化でも、離散的STAR-RISは連続的位相シフトと同等の秘匿性能を達成している。
• 結合型位相シフトSTAR-RISは、従来のRISおよびランダム位相シフト方式を上回るが、位相結合のため、独立型位相シフトSTAR-RISにわずかに劣る。
• 低送信電力領域では、干渉のない復調が可能であるため、時間スイッチング（TS）方式がエネルギー分割（ES）方式を上回るが、高電力領域ではES方式が時間利用効率が優れているため、性能が優れる。
• ユーザー端末にSTAR-RISを設置することで、級連リンクにおけるパスロス低減により、より高い秘匿性能が得られる。

Figure 2: Simulation setup for the considered network.