[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Assisted Secrecy Communication: Is Artificial Noise Helpful or Not?

Xinrong Guan, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 33

한 줄 요약

본 논문은 IRS-지원 시스템에서 인공 소음 (AN)이 비밀도율을 향상시키는지 여부를 조사하고, 전송 빔포밍, AN, 및 IRS 반사 빔포밍을 공동으로 설계하기 위한 교대 최적화 알고리즘을 제안한다.

ABSTRACT

In this letter, we investigate whether the use of artificial noise (AN) is helpful to enhance the secrecy rate of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted wireless communication system. Specifically, an IRS is deployed nearby a single-antenna receiver to assist in the transmission from a multi-antenna transmitter, in the presence of multiple single-antenna eavesdroppers. Aiming to maximize the achievable secrecy rate, a design problem for jointly optimizing transmit beamforming with AN or jamming and IRS reflect beamforming is formulated, which is however difficult to solve due to its non-convexity and coupled variables. We thus propose an efficient algorithm based on alternating optimization to solve the problem sub-optimally. Simulation results show that incorporating AN in transmit beamforming is beneficial under the new setup with IRS reflect beamforming. In particular, it is unveiled that the IRS-aided design without AN even performs worse than the AN-aided design without IRS as the number of eavesdroppers near the IRS increases.

연구 동기 및 목표

• IRS-지원 비밀통신에서 인공 소음의 필요성 및 이익 평가.
• 공동 빔포밍, 제재(제재? 가짜? 여기서는 jamming으로 남겨둠) 및 IRS 반사 빔포밍을 위한 효율적인 차선 최적화 알고리즘 개발.
• AN의 효과가 전송 파워, 도청자의 수, IRS 소자 수에 따라 어떻게 달라지는지 정량화.

제안 방법

• M-안테나 송신기(Alice)와 단일 안테나 Bob이 있어 Rose IRS(소자 N)를 통해 전송을 보조하는 설정에서, K명의 단일 안테나 도청자(Eves)가 존재하는 모델을 구성한다.
• 총 전력 제약 하에서 전송 빔포밍 f1, AN 재밍 f2, 및 IRS 위상 시프트 v에 대해 비밀도율 최대화 문제를 형식화한다.
• 랭크-1 제약조건을 다루기 위해 Semidefinite Relaxation (SDR)을 적용하고, v에 대해 (F1,F2)를, 그리고 (F1,F2)에 대해 v를 해결하기 위한 교대 최적화 프레임워크를 사용한다.
• 비선형 목표를 볼록화하기 위해 Lemma 1을 이용한 변동 경계(variational bound)를 적용하여 Sub-problems (P1.1)-(P1.5) 및 (P2.1)-(P2.2)를 도출한다.
• SDR 해로부터 빔포밍 벡터를 회복하고 필요한 경우 Gaussian 무작위화(Randomization)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AN을 포함하는 것이 IRS-지원 비밀통신에서 비밀도율 이득을 제공하는가?
• RQ2 도청자 수, IRS 소자 수, 전력 예산 등의 조건 및 시스템 구성에서 AN이 가장 유익한 경우는 무엇인가?
• RQ3 AN 여부에 관계없이 최대 비밀도율을 달성하기 위해 전송 빔포밍 및 IRS 반사 빔포밍을 어떻게 공동 설계해야 하는가?
• RQ4 근접/원거리 도청자, 높은 전송 파워 등의 시나리오 변화에 대해 AN을 적용한 IRS 설계와 AN-없는 IRS 설계의 상대적 성능은 어떤가?

주요 결과

• AN 기반 설계는 전송 파워가 크거나 도청자의 수가 많을 때 비밀도율을 향상시킨다.
• IRS가 있을 경우 도청자가 IRS에 근접하거나 Bob/Eves가 Rose에 근접한 어려운 설정에서 AN이 AN이 없는 설계보다 성능이 더 우수할 수 있다.
• 도청자가 IRS 근처에 있을 때 IRS 소자 수를 증가시키면 AN의 상대적 이점이 감소하지만 도청자가 멀리 있을 때는 그렇지 않다.
• AN은 IRS-지원 비밀 네트워크에서도 여전히 유리하며, 특히 도청자 수 K가 증가하고 빔포밍으로 얻을 수 있는 자유도가 충분하지 않을 때 더욱 그렇다.
• 제안된 교대 최적화 알고리즘은 공동 설계를 위한 차선 해를 효과적으로 도출한다.