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

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

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 지연 제약 조건 하에서 전송의 은밀함을 향상시키는 지능형 반사면(IIRS)을 활용한 은밀한 통신 시스템을 제안한다. 전송 전력과 IRS 반사 계수를 공동 최적화함으로써, 페널티 연속선형근사(PSCA) 알고리즘과 저복잡도 이단계 설계를 사용하여 단일 안테나 송신기일지라도 완벽한 은밀함을 달성하며, 기존의 IRS가 없는 전통적 시스템에 비해 성능을 크게 향상시킨다.

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

• 은밀한 통신을 위한 신뢰성 있는 전송을 달성하기 위해, 전송 활동을 감시하는 경계가 있는 위험한 감시자(윌리)가 존재하는 환경에서의 문제를 해결한다.
• 기존의 은밀한 통신 시스템의 근본적 한계를 극복한다. 단일 안테나 송신기의 경우 채널 제어 능력 부족으로 인해 완벽한 은밀함을 달성할 수 없다.
• 지능형 반사면(IIRS)을 활용하여 무선 전파 환경을 맞춤 설정하고, 목적지 수신기 쪽으로 신호를 조향함으로써 은밀함을 향상시키며, 윌리의 탐지 가능성을 최소화한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건(예: 반사 진폭의 비정상성, 위상 양자화)을 고려하여 실용적 구현을 위한 저복잡도 알고리즘을 설계한다. 특히 윌리의 순간 채널 상태 정보(CSI)가 없는 경우를 대비한다.
• 평균 전력 제약과 지연 제약 조건 하에서도 은밀함을 유지함으로써, 실제 환경에서 신뢰성 있는 은밀한 전송을 가능하게 한다.

제안 방법

• 전역 채널 상태 정보(global CSI) 하에서 전송 전력과 IRS 반사 계수를 공동 최적화하는 문제를 수립하고, 단일 안테나 송신기일지라도 IRS가 있으면 완벽한 은밀함을 달성할 수 있음을 증명한다.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 페널티 연속선형근사(PSCA) 알고리즘을 제안하며, 전역 CSI 하에서 정적 해에 수렴함을 보장한다.
• 전송 전력과 IRS 위상 이격을 위한 해석적 표현을 도출하는 저복잡도 이단계 알고리즘을 개발하여 계산 비용을 크게 감소시키면서도 성능를 유지한다.
• 윌리의 순간 CSI가 없는 경우, 윌리 수신기에서 수신된 신호 전력의 분포를 바탕으로 해석적 은밀함 제약 조건을 유도함으로써 최적의 위상 이격 설계를 가능하게 한다.
• IRS 반사 진폭에 대한 하드웨어 제약 조건(예: 진폭 불일치, 위상 양자화)을 통합하고, 이들의 최적 구성과 전송 전력을 함께 결정함으로써 실용성 확보를 도모한다.
• 지수 적분 함수와 渐近적 분석을 사용하여 은밀함 제약 조건을 다룰 수 있는 형태로 변환함으로써 효율적인 최적화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 안테나를 갖는 송신기에서 지능형 반사면(IIRS)이 은밀한 통신에서 완벽한 은밀함을 달성할 수 있는가?
• RQ2 지연 제약과 은밀함 제약 조건 하에서 전송 전력과 IRS 반사 계수의 공동 설계가 은밀한 통신 대역폭을 최대화하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 윌리의 링크에 대한 순간 CSI가 없는 경우, IRS의 최적 위상 이격 설정은 어떻게 결정되는가?
• RQ4 IRS 반사 진폭에 대한 하드웨어 결함이 시스템의 은밀함과 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 최적으로 보완할 수 있는가?
• RQ5 IRS는 기존의 IRS가 없는 전통적 시스템에 비해 은밀한 통신 시스템에서 어떤 성능 향상을 제공하는가? 특히 탐지 실패 확률과 달성 가능한 은밀한 전송률 측면에서 설명하라.

주요 결과

• IRS를 도입함으로써 단일 안테나 은밀한 통신 시스템에서 완벽한 은밀함이 수학적으로 증명 가능하며, IRS가 없을 경우 채널 제어 능력 부족으로 인해 이는 불가능하다.
• 제안된 PSCA 알고리즘이 정적 해에 수렴하며, 전역 CSI 하에서 은밀함 유지 능력을 크게 향상시킨다.
• 저복잡도 이단계 알고리즘이 근사 최적 성능를 달성하면서도 계산 부담을 크게 감소시켜 실시간 구현에 적합하다.
• 부분적인 CSI 하에서 도출된 해석적 은밀함 제약 조건은 최적의 IRS 위상 이격 설계를 가능하게 하며, 윌리가 전송를 신뢰성 있게 탐지하지 못하도록 보장한다.
• IRS 반사 진폭에 대한 하드웨어 제약 조건이 은밀함에 영향을 미치며, 이에 대한 최적 구성이 유도되어 시스템 성능 유지에 기여한다.
• 수치 결과는 IRS 보조 은밀한 통신 시스템이 기존의 전통적 시스템에 비해 은밀한 전송률과 탐지 실패 확률 측면에서 상당한 성능 향상을 보임을 입증한다.