[論文レビュー] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO Systems

Gui Zhou, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、ユーザー協調と知能反射表面（IRS）が、アクティブ攻撃およびパasive盗聴の両方の下で物理層セキュリティを強化する2段階型IRS支援型セキュアSWIPT MIMOシステムを提案する。統計的CSI誤差モデルに基づくロバストビームフォーミングと、秘匿性レート最大化のための低複雑度アルゴリズムを活用することで、盗聴者チャネルの不確実性が高い場合でも顕著なセキュリティ向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surface (IRS) is proposed to enhance the physical layer security in the Rician fading channel where the angular direction of the eavesdropper is aligned with a legitimate user. In this scenario, we consider a two-phase communication system under the active attacks and passive eavesdropping. Particularly, in the first phase, the base station avoids direct transmission to the attacked user. While, in the second phase, other users cooperate to forward signals to the attacked user with the help of IRS and energy harvesting technology. Under the active attacks, we investigate an outage constrained beamforming design problem under the statistical cascaded channel error model, which is solved by using the Bernstein-type inequality. As for the passive eavesdropping, an average secrecy rate maximization problem is formulated, which is addressed by a low complexity algorithm. Numerical results show that the negative effect of the eavesdropper's channel error is greater than that of the legitimate user.

研究の動機と目的

• IRS支援型MIMOシステムにおける盗聴者と正当ユーザーの角度方向が一致する状況での物理層セキュリティの課題に対処する。
• 統一された2段階送信フレームワーク内で、盗聴者がユーザーを偽装するアクティブ攻撃と、CSIが未知であるパasive盗聴の両方を扱う。
• 停電制約付きの秘匿性レートを保証するため、統計的カスケードチャネル誤差モデルに基づくロバストビームフォーミングを設計する。
• パasive盗聴下での平均秘匿性レート最大化を、主要化最小化（MM）に基づく低複雑度アルゴリズムを用いて実現する。
• 不完全なCSIが盗聴者および正当ユーザーのチャネルに与える影響を評価し、盗聴者チャネルの不確実性がより強い悪影響を及えることを示す。

提案手法

• 2段階通信プロトコルを提案：第1段階では攻撃対象ユーザーへの直接送信を回避する。第2段階では、IRS支援型信号転送によるユーザー協調を実現する。
• 盗聴者と正当ユーザーの角度方向が一致するRician fading環境下でシステムをモデル化する。
• アクティブ攻撃の場合、統計的カスケードチャネル誤差下での停電制約付きビームフォーミング問題を定式化し、Bernstein型不等式近似を用いて解く。
• パasive盗聴の場合、主要化最小化（MM）フレームワークを用いた平均秘匿性レート最大化問題を定式化する。
• 非凸最適化問題を解くために、サロゲート問題構築と価格メカニズムに基づく低複雑度アルゴリズムを開発する。
• 主要化による線形下界と凸緩和技術を用い、非凸制約を扱いやすい形に変換し、双対変数に対する二分探索により閉形式解を導出可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局における不完全なCSIが、アクティブ攻撃下でのIRS支援型セキュアMIMOシステムにおける秘匿性性能に与える影響は何か？
• RQ2 正当ユーザーのチャネル不確実性と比較して、盗聴者チャネルの不確実性がシステムの秘匿性レートに与える影響は何か？
• RQ3 盗聴者が正当ユーザーと角度方向が一致する状況下で、ユーザー協調とIRS、およびエネルギー回収を組み合わせることで、セキュアな通信が向上するか？
• RQ4 統計的CSI誤差モデル下で、停電制約を満たすロバストビームフォーミングはどのように設計できるか？
• RQ5 パasive盗聴下での平均秘匿性レート最大化において、提案された低複雑度アルゴリズムの性能向上はどの程度か？

主な発見

• 盗聴者チャネル誤差の悪影響は、正当ユーザーのチャネル誤差よりも顕著であり、盗聴者不確実性に対するロバスト設計の必要性を示唆する。
• 統計的CSI誤差モデル下での提案されたロバストビームフォーミング設計は、Bernstein型不等式近似を用いることで、停電制約付きの秘匿性レートを確保する。
• 平均秘匿性レート最大化のための低複雑度アルゴリズムは、主要化最小化と価格メカニズムを用いて高い性能を達成し、収束を示す。
• 数値結果から、高レベルの盗聴者角度一致とチャネル不確実性下でも、システムが高い秘匿性レートを維持することが確認された。
• 提案手法は、ユーザー協調を含まない従来のIRS支援型システムを上回り、特に大規模なIRSアパーチャーと高い盗聴者チャネル不確実性を伴う状況で顕著な性能向上を示す。
• 反射素子数が増加するにつれて性能向上が顕著になることから、大規模IRS展開に向けた本手法のスケーラビリティが裏付けられた。