[논문 리뷰] OptM3Sec: Optimizing Multicast IRS-Aided Multiantenna DFRC Secrecy Channel with Multiple Eavesdroppers

Kumar Vijay Mishra, Arpan Chattopadhyay외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다수의 가로취득자(EDs)가 존재하는 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 이중 기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에 지능형 반사 표면(IRS)을 통합한 물리계층 비밀 통신율 최대화 프레임워크인 OptM3Sec을 제안한다. 확률적 SPSA 기반 알고리즘을 통해 송신 예비성형 매트릭스와 IRS 위상 보정을 공동 최적화함으로써, 특히 고출력 송신 및 다수의 ED 조건에서 뚜렷한 비밀 통신율 향상을 달성한다.

ABSTRACT

With the use of common signaling methods for dual-function radar-communications (DFRC) systems, the susceptibility of eavesdropping on messages aimed at legitimate users has worsened. For DFRC systems, the radar target may act as an eavesdropper (ED) that receives a high-energy signal thereby leading to additional challenges. Unlike prior works, we consider a multicast multi-antenna DFRC system with multiple EDs. We then propose a physical layer design approach to maximize the secrecy rate by installing intelligent reflecting surfaces in the radar channels. Our optimization of multiple ED multicast multi-antenna DFRC secrecy rate (OptM3Sec) approach solves this highly nonconvex problem with respect to the precoding matrices. Our numerical experiments demonstrate the feasibility of our algorithm in maximizing the secrecy rate in this DFRC setup.

연구 동기 및 목표

• 고출력으로 인해 레이더 타깃이 통신 신호를 가로채는 위험이 증가하는 다중 사용자 다중 안테나 DFRC 시스템의 문제를 해결한다.
• 이전 연구들이 단일 가로취득자 또는 단일 사용자 전송을 가정하는 데서 비롯된 한계를 극복하기 위해, 다수의 ED를 고려한 더 현실적인 시나리오를 모델링한다.
• 레이더 타깃에서 요구하는 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 유지하면서도, 지능형 반사 표면(IRS)을 활용해 다중 사용자 DFRC 시스템의 비밀 통신율을 최대화한다.
• 합법 사용자 및 가로취득자에게 직접 경로와 IRS를 통한 간접 경로를 모두 고려한 송신 예비성형 매트릭스와 IRS 위상 보정의 공동 최적화 프레임워크를 설계한다.
• 송신 전력 제약과 레이더 타깃의 SINR 요구 조건을 통합하여 타당성과 강건성을 확보한다. 이는 레이더 타깃이 가로취득자로 기능할 경우에도 동일하게 적용된다.

제안 방법

• 다수의 ED가 존재하는 다중 사용자 다중 안테나 DFRC 시스템의 비밀 통신율 최대화 문제를 수립하며, 직접 경로 및 IRS 반사 경로를 모두 고려한다.
• 시스템을 MIMO 레이더, 다수의 다중 안테나 사용자, N개의 수동 반사 요소를 가진 IRS, 그리고 K명의 다중 안테나 가로취득자로 모델링한다.
• 최적화를 세 개의 하位 문제로 분해한다: 합법 사용자용 비트포밍, ED를 향한 인공 노이즈 비트포밍, IRS 위상 보정 최적화.
• 이중 단계 반복 알고리즘을 적용한다: 먼저 데이터 및 인공 노이즈를 위한 예비성형 매트릭스(W와 B)를 최적화하고, 다음으로 동시 섭동 확률적 SPSA를 사용해 IRS 위상 보정을 최적화한다.
• SPSA를 사용해 IRS 위상 보정 최적화 문제의 비볼록성 문제를 다루며, 무작위 섭동과 기울기 근사화를 통해 반복적으로 위상 보정을 갱신한다.
• 위상 보정 갱신을 [0, π] 범위에 투영함으로써 타당성을 확보하고, 표준 SPSA 수렴 조건을 만족시키며 수렴을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 가로취득자가 존재할 경우, 다중 사용자 다중 안테나 DFRC 시스템에서 비밀 통신율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 지능형 반사 표면(IRS)은 다수의 ED가 존재하는 DFRC 시스템에서 비밀 통신율을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 IRS 없이 비교할 때, 송신 예비성형과 IRS 위상 보정을 공동 최적화하는 것이 비밀 통신율 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다수의 ED가 존재하는 다중 사용자 IRS 보조 DFRC 시스템에서 비밀 통신율은 송신 전력 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 제안된 OptM3Sec 알고리즘은 IRS가 없거나 고정된 IRS 위상 설정을 가진 기준 대비 비밀 통신율 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 제안된 OptM3Sec 알고리즘은 다수의 가로취득자가 존재하는 다중 사용자 IRS 보조 MIMO DFRC 시스템에서 비밀 통신율을 크게 향상시키며, 특히 고출력 조건에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 단일 가로취득자가 존재할 경우 비밀 통신율은 송신 전력 증가에 따라 증가하며, IRS가 존재할 경우 IRS 없이 구현된 시스템 대비 뚜렷한 성능 향상이 나타난다.
• 두 명의 가로취득자가 존재할 경우 가로취득 능력 증가로 인해 비밀 통신율이 약간 감소하지만, 여전히 비-IRS 기반 기준 대비 상당한 비밀 통신율 향상을 제공한다.
• SPSA 기반의 IRS 위상 보정 최적화는 문제의 비볼록성을 효과적으로 다루며, 타당하고 높은 성능의 해에 수렴한다.
• 송신 웨이브포맷에 인공 노이즈를 통합함으로써, 레이더 타깃(가로취득자로 기능할 수 있음)에서 요구하는 SINR을 유지함으로써 레이더 기능과 통신 보안을 동시에 확보한다.
• 수치 결과는 공동 예비성형과 위상 보정 최적화 전략이 실용적인 DFRC 구현에서 물리계층 비밀 통신율 향상에 타당하고 효과적임을 확인한다.