[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface: A Programmable Wireless Environment for Physical Layer Security

Jie Chen, Ying‐Chang Liang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 기지국의 범용형 포화 및 IRS의 반사 계수를 공동 최적화하여 다운링크 MISO 브로드캐스트 시스템에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 제안한다. 제안된 방법은 실용적 제약 조건 하에 최소 비밀 통신률을 최대화하며, 수렴 보장이 있는 반복 알고리즘을 통해 국소 최적해에 수렴하여 뚜렷한 비밀 통신률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce an intelligent reflecting surface (IRS) to provide a programmable wireless environment for physical layer security. By adjusting the reflecting coefficients, the IRS can change the attenuation and scattering of the incident electromagnetic wave so that it can propagate in a desired way toward the intended receiver. Specifically, we consider a downlink multiple-input single-output (MISO) broadcast system where the base station (BS) transmits independent data streams to multiple legitimate receivers and keeps them secret from multiple eavesdroppers. By jointly optimizing the beamformers at the BS and reflecting coefficients at the IRS, we formulate a minimum-secrecy-rate maximization problem under various practical constraints on the reflecting coefficients. The constraints capture the scenarios of both continuous and discrete reflecting coefficients of the reflecting elements. Due to the non-convexity of the formulated problem, we propose an efficient algorithm based on the alternating optimization and the path-following algorithm to solve it in an iterative manner. Besides, we show that the proposed algorithm can converge to a local (global) optimum. Furthermore, we develop two suboptimal algorithms with some forms of closed-form solutions to reduce the computational complexity. Finally, the simulation results validate the advantages of the introduced IRS and the effectiveness of the proposed algorithms

연구 동기 및 목표

• 기존 무선 시스템이 전파 환경을 제어할 수 없어 보안성과 성능이 열 劣한 문제를 해결하기 위해.
• 무선 환경을 프로그래밍할 수 있는 IRS를 활용하여 신호 반사를 수동적으로 재구성함으로써 비밀 통신률을 향상시키기 위해.
• 실용적 제약 조건(연속적 및 이산적 위상 이동) 하에서 기지국의 범용형 포화와 IRS의 반사 계수를 공동 최적화하기 위해.
• 여러 명의 정상 수신자 간 최소 비밀 통신률을 최대화하면서 도청자로부터 신호를 안전하게 유지하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 저복잡도의 부분 최적 알고리즘을 개발하여 닫힌 형태의 해를 도출하기 위해.

제안 방법

• 전력 제약 및 반사 계수 제약 하에 비볼록 최소 비밀 통신률 최대화 문제를 수립한다.
• 범용형 포화와 IRS 위상 이동 간 교대 최적화를 수행하며, 수렴을 위해 경로 추적 알고리즘을 활용한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 비밀 통신률의 하한 근사를 사용하여 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 범용형 포화 및 위상 이동 최적화 하위 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사 방법을 구현한다.
• 저복잡도 알고리즘의 닫힌 형태 해를 유도하여 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 제안된 알고리즘이 KKT 점으로 수렴함을 증명하여 국소 최적성 보장을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지능형 반사 표면을 어떻게 활용하여 다중 사용자 MISO 시스템에서 물리계층 보안을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 최소 비밀 통신률을 최대화하기 위해 범용형 포화와 IRS 반사 계수를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 실용적 제약 조건(예: 이산적 위상 이동)이 비밀 통신률과 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 비볼록 최적화 문제에 대해 수렴 보장이 있는 반복 알고리즘을 개발할 수 있는가?
• RQ5 IRS 기반 물리계층 보안은 기존 시스템에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 기반 시스템은 IRS 없이 구현된 기존 시스템에 비해 최소 비밀 통신률을 크게 향상시킨다.
• 교대 최적화 및 경로 추적 기반 반복 알고리즘이 국소(종종 전역) 최적해로 수렴한다.
• 닫힌 형태의 해를 갖는 부분 최적 알고리즘은 상당히 감소된 계산 복잡도로 최적에 가까운 비밀 통신률을 달성한다.
• 특히 강한 도청자 채널이 존재하는 환경에서 뚜렷한 비밀 통신률 향상을 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 최적의 IRS 반사 계수는 목적 수신자 채널 방향과 일치함을 확인하여 범용형 포화 이득을 증가시킨다.
• 최적의 범용형 포화 및 IRS 반사 설계에서 랭크-1의 구조가 증명되었으며, 이는 효율적인 계산을 가능하게 한다.