[논문 리뷰] Robust and Secure Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided mmWave MISO Systems

Xingbo Lu, Weiwei Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다수의 단일 안테나를 갖춘 탈취자(Eves)와 탈취자 채널의 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 고려한 인텔리전트 반사 표면(IRS) 기반 밀리미터파(MIMO) 시스템을 위한 강건하고 안전한 부스팅(RSBF) 방식을 제안한다. 불확실한 탈취자 채널을 이산 도래각(AoA) 샘플의 가중 조합으로 모델링하고, 준정적완화(SDR)를 적용한 교대 최적화를 활용하여, 전력 제약과 단위 모듈러스 제약 하에 최악의 경우 비밀 통신률을 최대화한다. 이는 CSI 불확실성 하에서도 기준 대비 뛰어난 비밀성 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this letter, we investigate the robust and secure beamforming (RSBF) in an intelligent reflecting surface (IRS) aided millimeter wave (mmWave) multiple input single output (MISO) system, where multiple single antenna eavesdroppers (Eves) are arbitrarily distributed nearby the legitimate receiver. Considering the channel state information (CSI) of Eves' channels is imperfectly known at the legitimate transmitter, the RSBF design problems to maximize the worst case of achievable secrecy rate (ASR) are formulated under the total transmission power and unit-modulus constraints. Since the problems are difficult to solve optimally due to their nonconvexity and coupled variables, we substitute the wiretap channels by a weighted combination of discrete samples and propose a RSBF scheme based on alternating optimization and semidefinite relaxation (SDR) techniques, for both colluding and noncolluding eavesdropping scenarios. Simulation results show that the proposed RSBF scheme can effectively improve the ASR and also outperforms other benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 밀리미터파 MISO 비밀 통신 시스템에서 탈취자 CSI의 불완전성 문제를 해결하기 위해.
• 탈취자 채널 도래각(AoA)에 대한 지식이 불완전할 때 최악의 경우로 달성 가능한 비밀 통신률(ASR)을 최대화하기 위해.
• 탈취자 채널 상태 정보의 불확실성에 대비한 강건한 부스팅 방식을 설계하기 위해.
• 최적화 프레임워크 내에서 협력하는 탈취자와 비협력 탈취자 시나리오를 모두 고려하기 위해.
• 교대 최적화와 준정적완화(SDR)를 통해 부분 최적의 그러나 효율적인 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• CSI 불확실성을 표현하기 위해 이산 도래각(AoA) 샘플의 가중 조합을 사용하여 불확실한 탈취자 채널을 모델링한다.
• 전체 전력 제약과 단위 모듈러스 제약 하에 최악의 경우 ASR를 최대화하는 비볼록 최적화 문제로 강건한 안전 부스팅(RSBF) 문제를 수립한다.
• 준정적완화(SDR)를 활용해 비볼록 문제를 볼록 형태로 변환하여 볼록 최적화 기법을 통해 효율적으로 해결할 수 있도록 한다.
• 교대 최적화를 적용해 수동 부스팅 벡터와 IRS 위상 이득을 번갈아가며 최적화한다.
• 이완된 SDR 문제로부터 랭크-1 해를 복원하기 위해 가우시안 랜덤화 기법을 사용한다.
• 협력 및 비협력 탈취 시나리오에 대해 별도의 수식을 설정하여, 결과적으로 발생하는 볼록 하位문제를 교대 방식으로 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈취자 CSI가 불완전하게 알려져 있을 때, IRS 보조 밀리미터파 MISO 시스템에서 어떻게 강건한 부스팅을 설계할 수 있는가?
• RQ2 IRS 보조 물리계층 보안에서 도래각(AoA) 불확실성은 최악의 경우로 달성 가능한 비밀 통신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CSI 불확실성 하에서 MRT 및 평균 기반 부스팅과 같은 기준 대비 제안된 RSBF 방식은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제안된 방식은 협력적 및 비협력적 탈취 시나리오 양쪽 모두에서 높은 비밀 통신률을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실제 CSI 불확실성 하에서 제안된 RSBF 방식은 기존 방식 대비 최악의 경우 ASR 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 RSBF 방식은 특히 높은 AoA 불확실성 하에서도 기준 대비 최악의 경우로 달성 가능한 비밀 통신률(ASR)을 크게 향상시킨다.
• MRT 기반 방식의 ASR는 안정성을 유지하지만 AoA 오차가 증가할수록 성능이 떨어지며, 이는 탈취자 CSI 불확실성에 대한 취약성을 보여준다.
• 평균 기반 방식은 AoA 오차가 증가함에 따라 ASR가 급격히 감소함을 보이며, 이는 제안된 RSBF가 불확실성을 효과적으로 다루는 데에 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.
• 모든 전송 전력 수준에서 제안된 RSBF 방식은 완전한 CSI 상한선에 비해 더 작은 격차를 유지함으로써 강건성을 입증한다.
• 협력 탈취 시나리오에서는 고전력에서도 MRT 기반 방식의 ASR가 거의 0에 가까운 반면, 제안된 RSBF 방식은 상당한 비밀 통신률 향상을 달성한다.
• 근접한 탈취자와 불완전한 CSI 하에서도 정보 泄露를 효과적으로 억제함으로써, 실용적인 IRS 보조 안전 밀리미터파 시스템에서의 효과성을 확인한다.