[논문 리뷰] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Aided Covert Communications

Jinsong Hu, Xiaoqiang Shi외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 도청 방지 조건 하에 도청 속도를 최대화하기 위해 송신 전력과 HR-RIS 반사/중계 계수를 공동 최적화함으로써 암호 통신을 향상시키기 위해 하이브리드 리레이팅 인텔리전트 서피스(HR-RIS)를 제안한다. 결과적으로, 활성 중계 요소 수가 적더라도(예: 5개) 기존의 수동 RIS보다 유의미하게 뛰어난 성능을 보이며, 전력 제약으로 인해 특정 임계값을 초과하면 성능 향상의 감소가 발생한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose to use a hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS) to enhance the performance of a covert communication system. Specifically, the HR-RIS consists of passive reflecting elements and active relay elements to manipulate the wireless signals from a transmitter to a desired receiver while ensuring the covertness of the transmission via avoiding such signals being detected by a warden. To fully explore the benefits offered by the HR-RIS, we first formulate the joint design of the transmit power and relay/reflection coefficients of the HR-RIS as an optimization problem to maximize the covert rate subject to a covertness constraint. To tackle the solution to this optimization problem, we then derive a closed-form expression for an upper bound on covert rate, based on which we develop an alternate algorithm to solve the formulated optimization problem. Our examination shows that the HR-RIS outperforms the traditional RIS in term of achieving a higher covert rate. Interestingly, we also observe the major part of the performance gain brought by the HR-RIS can be obtained by a small number of active relay elements (e.g., 5) and further increasing this number does not improve the covert communication performance.

연구 동기 및 목표

• 기존의 인텔리전트 반사 표면(RIS)에 활성 중계 요소를 통합하여 도청 통신 성능을 향상시키기 위해.
• 수동 RIS의 자유도가 제한되어 있어 중계기 대비 beamforming 이득이 제한되고 성능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해.
• 도청 속도를 최대화하기 위해 송신 전력과 HR-RIS 계수(위상, 진폭, 중계 이득)를 공동 최적화하기 위해.
• 윌리의 귀무가설과 대립가설 간의 쿨백-라이블레르(KL) 발산을 기반으로 한 도청 방지 조건을 통해 도청을 방지하기 위해.
• 고정된 전력 예산 하에서 성능 향상을 위한 최적의 활성 요소 수를 결정하기 위해.

제안 방법

• 윌리의 도청 방지 조건을 기반으로 한 KL 발산 제약 조건 하에 보브의 도청 속도를 최대화하는 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 교대 최적화(Alternate Optimization, AO)를 사용하여 HR-RIS 계수 행렬과 송신 전력을 번갈아 가며 최적화한다.
• AO 알고리즘의 수렴을 안내하기 위해 도청 속도에 대한 닫힌 형식의 상한선을 유도한다.
• 주어진 $ \boldsymbol{\theta} $에 대해 전력에 대한 단조 증가 함수로 KL 발산을 적용하여 최적의 $ P_a^* $ 를 결정한다.
• 각각의 위상과 진폭을 독립적으로 제어할 수 있는 $ M $개의 수동 반사 요소와 $ K $개의 활성 중계 요소로 구성된 하이브리드 시스템으로 HR-RIS를 모델링한다.
• 활성 요소는 이중성 수신-전송(Amplify-and-Forward, AF) 모드를 사용하여 신호 재생 및 향상된 beamforming 이득을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 리레이팅 인텔리전트 서피스(HR-RIS)는 기존의 수동 RIS보다 도청 통신 시스템에서 더 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ2 고정된 전력 예산 하에서 HR-RIS의 최적의 활성 중계 요소 수는 무엇인가?
• RQ3 송신 전력과 HR-RIS 계수를 공동 최적화하면 시스템의 도청 방지성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 활성 요소 수를 늘릴수록 항상 도청 속도가 향상되는가, 아니면 성능 포화점이 존재하는가?
• RQ5 전력 예산 제약 조건은 HR-RIS 기반 도청 통신 시스템의 beamforming 이득과 신호 증폭에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 활성 요소를 통한 향상된 beamforming과 신호 재생 덕분에 HR-RIS는 기존의 수동 RIS보다 훨씬 높은 도청 속도를 달성한다.
• 소수의 활성 중계 요소(예: 5개)만으로도 대부분의 성능 향상을 달성하며, 이 이상으로 늘일 경우 성능 향상의 감소가 발생한다.
• 최적의 점을 초과해 활성 요소 수를 늘일 경우 전력 예산 제약으로 인해 신호 감쇠($ |\beta_n| < 1 $)가 발생하여 도청 속도가 감소한다.
• 도청 방지 지표로 사용된 KL 발산은 송신 전력에 대해 단조 증가하므로, 임의의 HR-RIS 구성에 대해 최적의 $ P_a^* $ 를 정확히 결정할 수 있다.
• 제안된 교대 최적화(AO) 알고리즘은 효율적으로 수렴하며 도청 속도를 근사 최적 수준으로 최대화하는 데 성공한다.
• 수치 결과는 $ K=5 $인 HR-RIS가 훨씬 큰 $ K $를 가진 시스템과 유사한 도청 속도 향상을 달성함을 확인하여, 최소한의 활성 요소 배치가 매우 효율적임을 입증한다.