[논문 리뷰] Artificial-Noise-Aided Secure MIMO Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surface

Sheng Hong, Cunhua Pan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 48인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비밀 통신률을 극대화하기 위해 송신 예비성형, 인공 노이즈 공분산, 지능형 반사 표면(Implicitly Reflecting Surface, IRS)의 위상 이득을 공동 최적화하는 새로운 보안 MIMO 무선 통신 시스템을 제안한다. 라그랑주 승수와 주요화-최소화를 통한 폐형 해를 활용한 블록 좌표 강하(BCD) 기법을 통해 기존의 AN-보조 시스템에 비해 상당한 비밀 통신률 향상을 달성하며, 특히 전력 제약 조건 하에서도 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper considers a MIMO secure wireless communication system aided by the physical layer security technique of sending artificial noise (AN). To further enhance the system security performance, the advanced intelligent reflecting surface (IRS) is invoked in the AN-aided communication system, where the base station (BS), legitimate information receiver (IR) and eavesdropper (Eve) are equipped with multiple antennas. With the aim for maximizing the secrecy rate (SR), the transmit precoding (TPC) matrix at the BS, covariance matrix of AN and phase shifts at the IRS are jointly optimized subject to constrains of transmit power limit and unit modulus of IRS phase shifts. Then, the secrecy rate maximization (SRM) problem is formulated, which is a non-convex problem with multiple coupled variables. To tackle it, we propose to utilize the block coordinate descent (BCD) algorithm to alternately update the TPC matrix, AN covariance matrix, and phase shifts while keeping SR non-decreasing. Specifically, the optimal TPC matrix and AN covariance matrix are derived by Lagrangian multiplier method, and the optimal phase shifts are obtained by Majorization-Minimization (MM) algorithm. Since all variables can be calculated in closed form, the proposed algorithm is very efficient. We also extend the SRM problem to the more general multiple-IRs scenario and propose a BCD algorithm to solve it. Finally, simulation results validate the effectiveness of system security enhancement via an IRS.

연구 동기 및 목표

• 전력 제약과 채널 불일치로 인한 MIMO 탈선 채널의 비밀 통신률 제한 문제를 해결한다.
• 지능형 반사 표면(IRS)을 통합하여 무선 전파 환경을 재구성함으로써 물리계층 보안을 향상시킨다.
• 전력 제약과 단위 모듈러스 제약 조건 하에서 송신 예비성형, 인공 노이즈 공분산, IRS 위상 이득을 공동 최적화하여 비밀 통신률을 극대화한다.
• 모든 변수에 대해 폐형 해를 갖는 효율적인 알고리즘을 개발하여 실용적 구현을 보장한다.
• 향후 6G 네트워크에서의 광범위한 적용성을 위해 다중 수신자 환경으로의 프레임워크 확장을 수행한다.

제안 방법

• 송신 예비성형 행렬, 인공 노이즈 공분산 행렬, IRS 위상 이득을 포함한 결합 변수를 가진 비볼록 비밀 통신률 극대화(SRM) 문제를 수립한다.
• 기타 변수를 고정한 채로 각 변수를 번갈아 최적화하는 블록 좌표 강하(BCD)를 적용하여 비밀 통신률이 감소하지 않도록 보장한다.
• 라그랑주 승수 방법을 사용하여 송신 예비성형 및 인공 노이즈 공분산 행렬의 최적 해를 폐형 표현식으로 유도한다.
• IRS 위상 이득을 효율적으로 최적화하기 위해 주요화-최소화(MM) 알고리즘을 활용하여 수렴성과 낮은 복잡도를 확보한다.
• 처리 가능성을 확보하기 위해 연속적 위상 이득 가정을 사용하며, 실제 이산 위상 이득 근사화 조건 하에서 성능 검증을 수행한다.
• 다중 정상 수신자 환경으로의 BCD 기반 알고리즘 확장을 위해 최적화 프레임워크를 다수의 정상 수신자에 맞게 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 도입이 인공 노이즈 예비성형을 적용한 MIMO 탈선 채널에서 비밀 통신률을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 송신 예비성형, 인공 노이즈 공분산, IRS 위상 이득을 어떻게 공동 최적화하여 비밀 통신률을 극대화할 수 있는가?
• RQ3 전력 제약 조건 하에서 IRS와 인공 노이즈를 융합했을 때의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ4 폐형 업데이트를 갖는 제안된 BCD 기반 알고리즘이 기존 히우리스틱 또는 반복적 방법에 비해 수렴성과 비밀 통신률 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 기법이 다수의 정상 수신자 환경으로 효과적으로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 송신 예비성형, 인공 노이즈, IRS 위상 이득의 공동 최적화 기법은 기존 AN-보조 MIMO 시스템에 비해 상당한 비밀 통신률 향상을 달성한다.
• 모든 변수에 대해 폐형 해를 갖는 BCD 기반 알고리즘은 빠르게 수렴하며 비밀 통신률 향상에 단조로운 개선을 보장한다.
• IRS 도입은 정상 수신자 링크를 효과적으로 향상시키며 도청자 채널을 악화시켜 엄격한 전력 제약 조건 하에서도 높은 비밀 통신률을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 벤치마크 기법을 뛰어넘으며, 도청자에게 직접 링크가 열악한 환경에서 특히 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.
• 연속적 위상 이득과 이산적 위상 이득 간의 성능 격차는 작아, 시스템 설계에서 연속 위상 이득 가정의 실용성을 검증한다.
• 다수의 정상 수신자 환경으로의 확장은 높은 비밀 통신률 성능을 유지하며 제안된 프레임워크의 확장성과 강건성을 입증한다.