[논문 리뷰] Active Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 시스템에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 비례형 보상과 반사 계수를 공동 최적화하는 능동형 재구성가능한 지능형 표면(RIS) 설계를 제안한다. 능동형 반사 요소를 통해 신호를 증폭함으로써 반사 링크에서 발생하는 '이중 감쇠' 효과를 효과적으로 완화하며, 수동형 RIS보다 최대 48% 높은 기밀성 속도를 달성하고 비-RIS 시스템보다도 뚜렷한 성능 향상을 보이며, RIS의 추가 전력 소비는 최소한이다.

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) draws great attentions in academic and industry due to its passive and low power consumption nature, and has currently been used in physical layer security to enhance the secure transmission. However, due to the existence of double fading effect on the reflecting channel link between transmitter and user, RIS helps achieve limited secrecy performance gain compared with the case without RIS. In this correspondence, we propose a novel active RIS design to enhance the secure wireless transmission, where the reflecting elements in RIS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. To solve the non convex secrecy rate optimization based on this design, an efficient alternating optimization algorithm is proposed to jointly optimize the beamformer at transmitter and reflecting coefficient matrix at RIS. Simulation results show that with the aid of active RIS design, the impact of double fading effect can be effectively relieved, resulting in a significantly higher secrecy performance gain compared with existing solutions with passive RIS and without RIS design.

연구 동기 및 목표

• 반사 링크에서 발생하는 '이중 감쇠' 효과로 인해 수동형 RIS 기반 시스템의 기밀성 속도 향상이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 동시 위상 이동과 신호 증폭을 가능하게 하는 능동형 RIS 아키텍처를 설계하여 기밀 전송 성능을 향상시키기 위해.
• 비볼록 기밀성 속도 제약 조건 하에서 공동 보상 및 반사 계수 최적화를 위한 효율적인 교차 최적화 알고리즘을 개발하기 위해.
• 기밀성 속도 및 에너지 효율성 측면에서 능동형 RIS가 수동형 RIS 및 비-RIS 시스템보다 성능 향상이 얼마나 되는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 각 반사 요소가 전력 증폭기를 통해 위상과 진폭을 조절할 수 있는 능동형 RIS를 지원하는 새로운 신호 모델을 수립한다.
• 송신기의 보상 벡터와 RIS의 반사 계수 행렬을 포함하는 비볼록 최적화 문제로 기밀성 속도 최대화 문제를 수식화한다.
• 보상 벡터와 반사 행렬을 번갈아 가며 최적화하는 교차 최적화(AO) 알고리즘을 제안하며, RIS 계수 갱신을 위한 효율적인 주도-최소화(MM) 보조 알고리즘을 통합한다.
• RIS의 총 증폭 전력과 개별 요소의 이득에 전력 제약 조건을 도입하며, 성능 향상에서 주로 기여하는 요소는 개별 요소 이득 제약 조건임을 규명한다.
• 비볼록성을 처리하기 위해 페널티 기반 접근법을 사용하며, 각 반복에서 단조적 향상 보장으로 수렴성을 확보한다.
• 100개의 채널 실현값을 활용한 수치 시뮬레이션을 통해 전송 전력, RIS 크기, 증폭 이득 변화에 따른 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 능동형 RIS 설계가 RIS 기반 기밀 전송 시스템에서 '이중 감쇠' 효과를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 동일한 시스템 조건 하에서 능동형 RIS의 기밀성 속도 성능은 수동형 RIS 및 비-RIS 시스템보다 어떻게 다른가?
• RQ3 능동형 RIS 기반 기밀 통신에서 RIS 증폭 이득이 기밀성 속도 및 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 효율적인 교차 최적화 알고리즘이 비볼록 설정에서 보상 및 반사 계수를 공동 최적화하여 높은 기밀성 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 능동형 RIS 설계는 기밀 사용자 성능 향상을 동시에 유지하면서도 탈취자에게 정보 누출을 최소화할 수 있는가?

주요 결과

• 증폭 이득을 40 dB로 설정했을 때, 제안된 능동형 RIS 설계는 수동형 RIS 대비 최대 48% 높은 기밀성 속도를 달성하며, 수동형 및 비-RIS 기준선보다 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 20 dB의 증폭 이득 조건에서도 총 증폭 전력이 약 4 dBm에 불과한 상황에서 능동형 RIS는 수동형 RIS 대비 약 13%의 기밀성 속도 향상을 달성한다.
• 반사 요소 수가 증가할수록 기밀성 속도가 증가하며, 요소 수가 10개에서 60개로 증가할 때 능동형 RIS는 수동형 RIS 대비 36%의 성능 향상을 기록한다.
• AO 알고리즘은 4~8회 반복 내에 수렴하며, RIS 계수 최적화를 위한 MM 보조 알고리즘은 단 2~3회 반복 내에 수렴하여 계산 효율성이 높음을 입증한다.
• 개별 요소 이득에 대한 RIS 전력 제약 조건이 성능 향상에서 주요 기여 요소이며, 총 전력 제약 조건은 일반적으로 비활성 상태이므로 이득 제어가 총 전력 예산보다 더 중요하다는 것을 시사한다.
• 단지 10개의 반사 요소와 20 dB의 증폭 이득만으로도 능동형 RIS는 60개 요소를 사용한 수동형 RIS가 달성한 8.6을 넘는 기밀성 속도 9.0을 확보한다.