[논문 리뷰] Covert Transmission Assisted by Intelligent Reflecting Surface

Jiangbo Si, Zan Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 반사 표면(IR S)을 활용한 시스템에서 앨리스가 윌리에게 감지되지 않도록 보낸다. 이는 앨리스의 전송 전력과 IRS 위상 시프트를 공동 최적화하여 은밀한 전송률을 극대화하는 것을 목표로 하며, 완벽하거나 불완전한 CSI 조건 하에서 수행된다. 결과적으로, 윌리가 IRS에 더 가까울 경우 IRS는 성능을 떨어뜨릴 수 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Covert transmission is studied for an intelligent reflecting surface (IRS) aided communication system, where Alice aims to transmit messages to Bob without being detected by the warden Willie. Specifically, an IRS is used to increase the data rate at Bob under a covert constraint. For the considered model, when Alice is equipped with a single antenna, the transmission power at Alice and phase shifts at the IRS are jointly optimized to maximize the covert transmission rate with either instantaneous or partial channel state information (CSI) of Willie's link. In addition, when multiple antennas are deployed at Alice, we formulate a joint transmit beamforming and IRS phase shift optimization problem to maximize the covert transmission rate. One optimal algorithm and two low-complexity suboptimal algorithms are proposed to solve the problem. Furthermore, for the case of imperfect CSI of Willie's link, the optimization problem is reformulated by using the triangle and the Cauchy-Schwarz inequalities. The reformulated optimization problems are solved using an alterative algorithm, semidefinite relaxation (SDR) and Gaussian randomization techniques. Finally, simulations are performed to verify our analysis. The simulation results show that an IRS can degrade the covert transmission rate when Willie is closer to the IRS than Bob.

연구 동기 및 목표

• 앨리스가 윌리에게 감지되지 않도록 보낼 수 있는 IRS 보조 시스템에서 은밀한 통신을 가능하게 하기 위해.
• 윌리의 감시를 고려한 은밀성 제약 하에서 은밀한 전송률을 극대화하는 데 도전하기 위해.
• 완벽한 및 불완전한 윌리의 채널 상태 정보를 고려하여, IRS 위상 시프트와 앨리스의 전송 전력을 공동 최적화하기 위해.
• 다중 안테나 앨리스 시스템으로의 프레임워크 확장: 범용 조향 및 IRS 위상 시프트 최적화를 통한 통합 설계.
• 불완전한 CSI가 은밀한 전송률에 미치는 영향을 분석하고, 강건한 최적화 기법을 제안하기 위해.

제안 방법

• 윌리의 에너지 검출 기반으로 은밀성 제약 하에서 은밀한 전송률 극대화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 해결하기 위해, 불완전한 CSI 조건 하에서, 정규화된 정수계획법(SDR)과 가우시안 랜덤화를 활용한 대안 최적화 알고리즘을 제안한다.
• 불완전한 CSI 조건 하에서 최적화 문제를 재구성하기 위해 삼각부등식과 코시-슈바르츠 부등식을 적용한다.
• 대규모 IRS 요소를 고려할 때 중심극한정리에 기반한 복합 가우시안 근사법을 사용하여 윌리의 집합 간섭을 근사한다.
• 윌리의 수신 신호 전력의 확률밀도함수(PDF)를 지수분포로 유도하여, 탐지 확률 분석이 가능하게 한다.
• 단일 안테나 및 다중 안테나 앨리스 구성 모두를 고려하며, 조향 및 위상 시프트를 공동 최적화한다.

Figure 1: Covert transmission with IRS assistance

실험 결과

연구 질문

• RQ1 윌리가 에너지 검출을 수행하는 시스템에서 IRS 배치는 은밀한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 언제 IRS가 은밀한 성능을 향상시키고, 언제는 악화시키는가?
• RQ3 윌리의 채널에 대한 불완전한 CSI는 도달 가능한 은밀한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 은밀한 전송률을 극대화하기 위해 전송 전력과 IRS 위상 시프트를 최적화하는 최적의 설계는 무엇인가?
• RQ5 제안된 알고리즘은 다수의 워든 또는 다중 안테나 앨리스 구성에도 적용 가능한가?

주요 결과

• IRS는 항상 은밀한 전송 성능을 향상시키지 않으며, 윌리가 IRS에 앨리스보다 더 가까울 경우 성능이 떨어진다.
• 윌리의 링크에 대한 불완전한 CSI는 은밀한 전송률을 감소시키며, 특히 앨리스에서 윌리로의 링크에 대한 불확실성이 가장 심각한 영향을 미친다.
• IRS에 의해 유도된 간섭은 반사 요소의 수가 증가함에 따라 증가하여, 조향의 이점을 제한한다.
• 제안된 최적화 프레임워크는 완벽한 및 불완전한 CSI 조건 하에서 기준 대비 높은 은밀한 전송률을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 은밀한 전송률이 Bob과 IRS 평면 사이의 수직 거리가 증가함에 따라 감소함을 확인한다.
• 윌리의 수신 신호 전력이 지수분포를 따름을 통해, 제안된 채널 모델 하에서 정확한 탐지 확률 모델링이 가능하다.

Figure 2: The simulation model.