[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface (IRS)-Aided Covert Wireless Communication with Delay Constraint

Xiaobo Zhou, Shihao Yan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 41인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 지연 제약 조건 하에서 은밀함과 스펙트럼 효율성을 향상시키는 지능형 반사면(IIRS) 기반 은밀한 통신 시스템을 제안한다. 전송 전력과 IRS 반사 계수를 공동 최적화함으로써, 단일 안테나 송신기 조건에서도 완벽한 은밀함을 달성하며, 기존의 IRS가 없는 전통적 시스템보다 뚜렷하게 뛰어난 성능을 보인다. 이를 위해 펜alties 성층적 근사(PSCA) 알고리즘과 저복잡도 이단계 방법을 사용한다.

ABSTRACT

This work examines the performance gain achieved by deploying an intelligent reflecting surface (IRS) in covert communications. To this end, we formulate the joint design of the transmit power and the IRS reflection coefficients by taking into account the communication covertness for the cases with global channel state information (CSI) and without a warden's instantaneous CSI. For the case of global CSI, we first prove that perfect covertness is achievable with the aid of the IRS even for a single-antenna transmitter, which is impossible without an IRS. Then, we develop a penalty successive convex approximation (PSCA) algorithm to tackle the design problem. Considering the high complexity of the PSCA algorithm, we further propose a low-complexity two-stage algorithm, where analytical expressions for the transmit power and the IRS's reflection coefficients are derived. For the case without the warden's instantaneous CSI, we first derive the covertness constraint analytically facilitating the optimal phase shift design. Then, we consider three hardware-related constraints on the IRS's reflection amplitudes and determine their optimal designs together with the optimal transmit power. Our examination shows that significant performance gain can be achieved by deploying an IRS into covert communications.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사면(IIRS)이 지연 제약 조건 하에서 무선 통신의 은밀성과 신뢰성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사하기.
• 위치 감시자가 실시간 채널 상태 정보(CSI)를 확보할 수도 있고 확보하지 못할 수도 있는 상황에서 은밀함을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 전송 전력과 IRS 반사 계수를 공동 최적화하는 저복잡도 전송 전략을 설계하기.
• 은밀함을 보장하면서 통신 속도를 최대화하기 위한 최적의 위상 이동과 전력 할당에 대한 해석적 표현을 유도하기.

제안 방법

• 전체 CSI 하에서 통신 속도를 최대화하면서 은밀함을 확보하기 위해 전송 전력과 IRS 반사 계수의 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 전체 CSI 하에서 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 펜alties 성층적 근사(PSCA) 알고리즘을 개발한다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 전송 전력과 IRS 반사 계수에 대한 닫힌 형태의 표현을 유도하는 저복잡도 이단계 알고리즘을 제안한다.
• 위치 감시자가 실시간 CSI를 확보하지 못하는 경우를 위한 해석적 은밀함 제약 조건을 유도하여 최적의 위상 이동 설계를 가능하게 한다.
• IRS 반사 진폭에 대한 하드웨어 제약 조건(예: 일정 진폭, 위상 이동 한계)을 통합하고 최적의 구성 방식을 규명한다.
• 수학적 분석과 볼록 최적화 기법을 사용하여 제안된 해법의 타당성과 수렴성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IIRS는 단일 안테나 송신기가 있는 상황에서도 은밀한 통신을 완벽하게 달성할 수 있는가? 만약 가능하다면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ2 위치 감시자가 실시간 CSI를 확보하지 못할 경우, 은밀함을 달성하는 전송 전략 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 은밀함 및 하드웨어 제약 조건 하에서 통신 속도를 최대화하기 위해 전송 전력과 IRS 반사 계수를 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ4 저복잡도 알고리즘은 어떻게 설계되어야 하며, 계산 오버헤드를 줄이고 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 안테나 송신기 조건에서조차 IIRS를 통해 완벽한 은밀함을 달성할 수 있으며, 이는 같은 설정에서 IIRS가 없는 경우에 비해 불가능한 성능이다.
• 제안된 PSCA 알고리즘은 전체 CSI 하에서 공동 최적화 문제를 효과적으로 해결하여 고속도와 은밀함을 동시에 확보한다.
• 저복잡도 이단계 알고리즘은 유도된 해석적 표현을 통해 계산 복잡도를 크게 줄이며 근사 최적 성능을 달성한다.
• 해석적 은밀함 제약 조건은 위치 감시자가 실시간 CSI를 확보하지 못하는 경우에도 효과적인 위상 이동 설계를 가능하게 한다.
• IIRS 반사 진폭에 대한 하드웨어 제약 조건이 적절히 모델링되고 최적화되어 실용적 타당성을 확보하면서도 은밀함을 훼손하지 않는다.
• 시뮬레이션 결과는 IIRS 도입이 은밀함과 스펙트럼 효율성 양면에서 뚜렷한 성능 향상을 이끌어낸다는 것을 확인한다.