[논문 리뷰] Enabling Secure Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IRS)을 이용한 무선 채널 보안을 위한 전송 빔포밍과 IRS 위상 편이의 공동 설계를 통해 두 가지 효율적인 알고리즘(소형/대형 IRS에 대한 원소별 BCD와 AO-MM)을 제시하고, 대형 IRS가 보안 속도 및 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we propose to utilize intelligent reflecting surfaces (IRSs) for enhancing the physical layer security of wireless communications systems. In particular, an IRS-assisted secure wireless system is considered, where a multi-antenna transmitter communicates with a single-antenna receiver in the presence of an eavesdropper. To maximize the secrecy rate, both the beamformer at the transmitter and the IRS phase shifts are jointly optimized. Based on the block coordinate descent (BCD) and minorization maximization (MM) techniques, two efficient algorithms are developed to solve the resulting non-convex optimization problem for small- and large-scale IRSs, respectively. Simulation results show that IRSs can significantly improve physical layer security if the proposed algorithms are employed. Furthermore, we reveal that deploying large-scale IRSs is more efficient than enlarging the antenna array size of the transmitter for both boosting the secrecy rate and enhancing the energy efficiency.

연구 동기 및 목표

• Relays 및 인공 잡음에 대한 대안으로 IRS를 활용한 물리 계층 보안 향상을 위한 동기 부여.
• 다중 안테나 송신기, 단일 안테나 합법 수신기 및 단일 안테나 도청자를 갖는 IRS-보조 MISO 하향링크에서 보안 속도(secrecy rate)를 형식화하고 최대화한다.
• 빔포밍과 IRS 위상 편의 공동 최적화 문제를 해결하기 위한 두 개의 확장 가능하고 효율적인 알고리즘을 개발한다.
• 소형 대형 IRS 간의 상대적 성능 및 에너지 효율성에 대한 통찰을 제공한다.

제안 방법

• IRS 보조 보안 시스템을 다중 안테나 송신기, 단일 안테나 합법 수신기, 단일 안테나 도청자, M개의 위상 편차를 가진 IRS로 모델링한다.
• 단위 진폭 제약을 갖는 전송 빔포머 f와 IRS 위상 편 Φ에 대한 비볼록 문제로 secrecy-rate 극화를 형식화한다.
• Φ가 주어졌을 때 일반화 고유값 문제를 이용해 닫힌 형식의 최적 전송 빔포머를 도출한다(정리 1).
• 블록 좌표 하강 프레임워크 내에서 두 가지 IRS 위상 편의 최적화 스킴을 제안한다: (i) 소형 IRS에 대한 원소별 BCD(정리 2), 및 (ii) 대형 IRS에 대한 AO-MM(대리 하한 최적화 및 식(21)).
• 두 알고리즘의 수렴성과 성능 트레이드오프를 분석하고 초기화 가이던스(식(22))를 제시한다.
• IRS 보조 설계와 비-IRS 벤치마크를 비교하고 대형 IRS의 에너지 효율 이점을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 위상 편의와 전송 빔포밍을 공동으로 최적화하여 IRS-보조 보안 MISO 시스템에서 secrecy rate를 극대화할 수 있는가?
• RQ2 다양한 IRS 규모(소형 대형)에서 수렴성 및 보안 성능 측면에서 어떤 알고리즘적 접근이 더 효과적인가?
• RQ3 보안 속도 및 에너지 효율성 측면에서 IRS를 확장하는 것과 송신기 안테나 배열을 확장하는 것의 비교는 무엇인가?
• RQ4 제안된 알고리즘의 실용적 성능에 영향을 미치는 초기화 및 계산 고려사항은 무엇인가?

주요 결과

• 전송 빔포밍과 IRS 위상 편의의 공동 최적화가 비-IRS 설정 대비 상당한 보안 속도 이득을 제공합니다.
• 소형 IRS의 경우 원소별 BCD가 전역 최적의 블록 해를 제공하여 속도가 빠른 반면, 대형 IRS의 경우 AO-MM이 더 잘 확장되며 각 반복의 업데이트는 부분적으로 최적화됩니다.
• 대형 IRS는 보안 속도와 에너지 효율성 측면에서 단순히 송신기 안테나 배열 확장보다 더 우수합니다.
• 더 큰 IRS를 배치하는 것이 송신기 RF 체인을 증가시키는 것보다 보안 성능 향상에 더 에너지 효율적임이 입증됩니다.