[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission: Outage-Constrained Energy-Efficiency Maximization.

Zongze Li, Shuai Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 탈취자 채널 상태 정보 하에서 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS)를 사용한 에너지 효율적인 보안 전송 방식을 제안한다. 확률적 제약 조건을 변환하고 변수를 분리함으로써, 교차된 볼록 프로그래밍과 준정방형 완화를 활용하여 위상 이득, 전력 할당, 전송 속도를 최적화하여 높은 에너지 효율성을 달성한다. 저복잡도의 1차 알고리즘은 계산 시간을 두 계단 정도 감소시키면서 성능을 유지하며, 무작위, 고정, CSI 무시 RIS 방식보다 뚜렷이 뛰어나다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has the potential to significantly enhance the network secure transmission performance by reconfiguring the wireless propagation environment. However, due to the passive nature of eavesdroppers and the cascaded channel brought by the RIS, the eavesdroppers' channel state information is imperfectly obtained at the base station. Under the channel uncertainty, the optimal phase-shift, power allocation, and transmission rate design for secure transmission is currently unknown due to the difficulty of handling the probabilistic constraint with coupled variables. To fill this gap, this paper formulates a problem of energy-efficient secure transmission design while incorporating the probabilistic constraint. By transforming the probabilistic constraint and decoupling variables, the secure energy efficiency maximization problem can be solved via alternatively executing difference-of-convex programming and semidefinite relaxation technique. To scale the solution to massive antennas and reflecting elements scenario, a fast first-order algorithm with low complexity is further proposed. Simulation results show that the proposed first-order algorithm achieves identical performance to the conventional method but saves at least two orders of magnitude in computation time. Moreover, the resultant RIS aided secure transmission significantly improves the energy efficiency compared to baseline schemes of random phase-shift, fixed phase-shift, and RIS ignoring CSI uncertainty.

연구 동기 및 목표

• 불완전하고 불확실한 탈취자 채널 상태 정보 하에서 RIS 보조 네트워크의 보안 전송 문제를 해결한다.
• 채널 불확실성으로 인한 확률적 서비스 품질 제약 조건 하에서 보안 에너지 효율성 최대화 문제를 수립한다.
• 불완전한 CSI 하에서 에너지 효율성을 최대화하기 위해 RIS 위상 이득, 전력 할당, 전송 속도의 공동 최적화를 설계한다.
• 대규모 MIMO 및 대규모 RIS 도입에 대응하는 확장 가능하고 저복잡도의 1차 알고리즘을 개발한다.
• 무작위 위상 이득, 고정 위상 이득, CSI 불확실성 처리를 하지 않는 RIS 기반 기준 방식과의 성능 향상을 평가한다.

제안 방법

• 채널 불확실성을 다루기 위해 확률적 제약 조건을 볼록 근사 기법을 사용해 결정적 등가로 변환한다.
• 위상 이득, 전력 할당, 전송 속도의 복합 변수를 교차 최적화를 통해 분리한다.
• 위상 이득 최적화 하위 문제의 비볼록성 처리를 위해 차분-볼록(DC) 프로그래밍을 적용한다.
• 비볼록 하위 문제를 근사하기 위해 준정방형 완화(SDR)를 사용하여 근사 최적 해를 확보한다.
• 대규모 안테나 및 반사 요소 시나리오에 대응하기 위해 저계산 복잡도의 빠른 1차 알고리즘을 설계한다.
• 순차적 볼록 근사 기법을 사용해 하위 문제를 반복적으로 해결함으로써 수렴성과 확장성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 탈취자 CSI 하에서 RIS 보조 보안 전송의 에너지 효율성을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 확률적 기밀 오차 제약 조건 하에서 위상 이득, 전력 할당, 전송 속도의 최적 공동 설계는 무엇인가?
• RQ3 확률적 제약 조건이 있는 결합된 비볼록 최적화 문제를 효과적으로 분리하고 해결할 수 있는가?
• RQ4 저복잡도의 1차 알고리즘이 고복잡도 방법과 비교해 유사한 성능을 달성하면서 대규모 시스템에 확장 가능한가?
• RQ5 무작위 또는 고정 위상 이득과 같은 기준 RIS 구성 방식에 비해 제안된 방식은 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 제안된 1차 알고리즘은 기존 방법과 동일한 성능를 달성하지만 계산 시간을 최소 두 계단 이상 감소시킨다.
• RIS 보조 보안 전송 방식은 무작위 위상 이득, 고정 위상 이득, CSI 불확실성 처리를 하지 않는 RIS와 비교해 에너지 효율성이 뚜렷이 향상된다.
• 확률적 제약 조건 하에서 위상 이득, 전력 할당, 전송 속도의 공동 최적화는 보안 에너지 효율성 향상에 상당한 기여를 한다.
• 확률적 제약 조건의 변환과 변수 분리 기법을 통해 비볼록성과 결합된 최적화 문제를 효과적으로 다룰 수 있다.
• 대규모 안테나 및 반사 요소를 포함한 대규모 시나리오에서도 제안된 방법은 높은 성능를 유지한다.
• DC 프로그래밍과 준정방형 완화의 활용으로 문제의 비볼록성에도 불구하고 고품질의 해에 수렴할 수 있다.