[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Assisted Secure Wireless Communications with Multiple-Transmit and Multiple-Receive Antennas

Weiheng Jiang, Yu Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 접근점(AP)과 정당한 사용자를 갖는 지능형 반사면(IRS) 기반 안전한 MIMO 무선 통신 시스템을 제안하며, 전송 공분산 행렬과 IRS 위상 보정을 공동으로 최적화하여 비밀 통신률을 최대화한다. 연속적 및 이산적 IRS 위상 보정에 대해 순차적 볼록 근사(СА) 기반의 교대 최적화(AO) 알고리즘을 개발하여 개별 반사 계수에 대한 폐형 해를 도출하고, 8단계 양자화 조건에서도 최대 0.02 비트/초/㎐ 이내의 성능 손실를 최소화하면서 거의 최적의 비밀 통신률을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose intelligent reflecting surfaces (IRS) assisted secure wireless communications with multi-input and multi-output antennas (IRS-MIMOME). The considered scenario is an access point (AP) equipped with multiple antennas communicates with a multi-antenna enabled legitimate user in the downlink at the present of an eavesdropper configured with multiple antennas. Particularly, the joint optimization of the transmit covariance matrix at the AP and the reflecting coefficients at the IRS to maximize the secrecy rate for the IRS-MIMOME system is investigated, with two different assumptions on the phase shifting capabilities at the IRS, i.e., the IRS has the continuous reflecting coefficients and the IRS has the discrete reflecting coefficients. For the former case, due to the non-convexity of the formulated problem, an alternating optimization (AO)-based algorithm is proposed, i.e., for given the reflecting coefficients at the IRS, the successive convex approximation (SCA)-based algorithm is used to solve the transmit covariance matrix optimization, while given the transmit covariance matrix at the AP, alternative optimization is used again in individually optimizing of each reflecting coefficient at the IRS with other fixed reflecting coefficients. For the individual reflecting coefficient optimization, the close-form or an interval of the optimal solution is provided. Then, the proposed algorithm is extended to the discrete reflecting coefficient model at the IRS. Finally, some numerical simulations have been done to demonstrate that the proposed algorithm outperforms other benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사면(IRS)을 활용한 다중 안테나 AP 및 사용자를 갖는 MIMO 무선 시스템의 물리계층 보안을 향상시키기 위해.
• 비밀 통신률 제약 조건 하에서 AP의 전송 비례형 조절과 IRS의 수동 비례형 조절을 동시에 최적화하는 데 도전하기 위해.
• 연속적 및 이산적 두 가지 IRS 위상 보정 모델을 고려하여 비밀 통신률 최대화를 위한 공동 최적화 프레임워크를 설계하기 위해.
• 실제로 구현 가능한 이산적 위상 보정에 의한 성능 저하를 평가하고, 최소한의 성능 손실을 유지하기 위한 충분한 양자화 수준을 결정하기 위해.

제안 방법

• 다중 안테나 AP, 정당한 사용자 및 도청자 존재 조건 하에서 IRS 보조 MIMO 가로채기 채널의 비볼록 비밀 통신률 최대화 문제를 수립한다.
• 고정된 IRS 반사 계수 조건 하에서 전송 비례형 조절 하위 문제를 해결하기 위해 교대 최적화(AO) 기법을 적용한다.
• 고정된 IRS 계수 조건 하에서 전송 비례형 조절 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(СА) 기법을 사용한다.
• 연속적 및 이산적 위상 보정 가정 조건 하에서 개별 IRS 반사 계수에 대한 폐형 최적 해를 유도한다.
• 이산적 위상 보정 모델을 고려하기 위해 이론적 수렴 보장을 갖춘 양자화된 위상 탐색 전략을 도입하여 알고리즘을 확장한다.
• 다양한 시스템 구성 조건 하에서 기준 대비 성능을 비교하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 접근법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 안테나 AP 및 정당한 사용자를 갖는 IRS 보조 MIMO 가로채기 채널에서 비밀 통신률를 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 연속적 위상 보정 제약 조건 하에서 AP의 전송 비례형 조절과 IRS의 수동 비례형 조절을 최적의 방식으로 설계할 수 있는가?
• RQ3 이산적 위상 보정 제약 조건 하에서 시스템 성능는 어떻게 저하되며, 거의 최적의 비밀 통신률를 유지하기 위해 필요한 최소한의 양자화 비트 수는 얼마인가?
• RQ4 다른 채널 조건 하에서 개별 IRS 반사 계수에 대한 폐형 해를 유도할 수 있는가?
• RQ5 실제 IRS 시스템에서 연속적 및 이산적 IRS 위상 보정 간의 성능 격차는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 AO-SCA 알고리즘은 수치 평가 결과 거의 최적의 비밀 통신률를 달성하며, 기준 대비 성능을 뛰어나게 한다.
• 이산적 위상 보정 조건 하에서 8비트 양자화 조건에서도 고전압(2W) 및 20개 이상의 IRS 요소 조건에서도 성능 손실가 0.02 비트/초/㎐ 이내로 유지된다.
• 연속적 및 이산적 위상 보정 모델 조건 하에서 개별 IRS 반사 계수에 대한 폐형 최적 해가 도출되었다.
• 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 제안된 교대 최적화 프레임워크 하에서 이론적 수렴 보장이 있다.
• IRS를 통한 무선 전파 환경의 지능적인 재구성으로 인해 비밀 통신률 향상이 크게 달성된다.
• 결과적으로 이산적 위상 보정을 갖는 IRS는 연속적 위상 보정 시스템의 성능을 매우 잘 근사함을 시사하며, 실용적 구현에 적합함을 입증한다.