[논문 리뷰] Robust and Secure Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 49인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자, 다중 스파이와의 상황에서 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 환경에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 사용하는 강건하고 안정된 무선 통신 프레임워크를 제안한다. 교차 최적화와 점진적 볼록 근사법을 통해 조합적으로 빔포밍, 인공 노이즈 공분산, IRS 위상 각도를 최적화함으로써, IRS를 사용하지 않는 전통적 시스템에 비해 상당한 기밀 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surfaces (IRSs) are employed to enhance the physical layer security in a challenging radio environment. In particular, a multi-antenna access point (AP) has to serve multiple single-antenna legitimate users, which do not have line-of-sight communication links, in the presence of multiple multi-antenna potential eavesdroppers whose channel state information (CSI) is not perfectly known. Artificial noise (AN) is transmitted from the AP to deliberately impair the eavesdropping channels for security provisioning. We investigate the joint design of the beamformers and AN covariance matrix at the AP and the phase shifters at the IRSs for maximization of the system sum-rate while limiting the maximum information leakage to the potential eavesdroppers. To this end, we formulate a robust nonconvex optimization problem taking into account the impact of the imperfect CSI of the eavesdropping channels. To address the non-convexity of the optimization problem, an efficient algorithm is developed by capitalizing on alternating optimization, a penalty-based approach, successive convex approximation, and semidefinite relaxation. Simulation results show that IRSs can significantly improve the system secrecy performance compared to conventional architectures without IRS. Furthermore, our results unveil that, for physical layer security, uniformly distributing the reflecting elements among multiple IRSs is preferable over deploying them at a single IRS.

연구 동기 및 목표

• 비선형 시선 링크와 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 가진 다중 사용자, 다중 스파이 무선 네트워크에서 물리계층 보안의 과제를 해결한다.
• 활동적 중계기나 잡음 방출에 의존하는 전통적 보안 통신 방법의 한계를 극복한다. 이러한 방법들은 높은 하드웨어 및 에너지 소모를 수반한다.
• 수동적 지능형 반사 표면(IRS)을 활용해 낮은 비용과 에너지 소비로 무선 전파 환경을 재구성한다.
• 다중 안테나 스파이가 존재하고 CSI가 불완전한 조건에서 시스템의 총 전송률을 극대화하면서도 정보 泄露를 제한함으로써 기밀성을 확보한다.
• 비볼록 제약 조건 하에서 전송 빔포머, 인공 노이즈 공분산, IRS 위상 각도의 조합 최적화를 위한 효율적인 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 스파이의 불완전한 CSI를 고려하여 기밀 전송률 제약 조건 하에서 총 전송률을 극대화하는 강건한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 교차 최적화를 적용하여 전반적인 설계를 빔포머, 인공 노이즈, IRS 위상 각도의 하위 문제로 분리한다.
• 빔포밍 및 인공 노이즈 설계 하위 문제에서 발생하는 비볼록성을 다루기 위해 점진적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• IRS 위상 각도의 단위 모듈러스 제약 조건을 다루기 위해 정수형 프로그래밍 이론 기반의 준거(Semidefinite Relaxation, SDR) 및 페널티 기반 방법을 사용한다.
• 효율적 채널 공분산 행렬의 랭크-일치 제약 조건을 강제하기 위해 페널티 방법을 도입하여 수렴 가능한 타당해에 수렴하도록 보장한다.
• 이완된 SDR 문제로부터 랭크-일치 해를 복원하는 구축 가능한 방법을 개발하여 최종 IRS 위상 각도 설계의 타당성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자, 다중 스파이 네트워크에서 지능형 반사 표면(IRS)을 전송 빔포밍 및 인공 노이즈와 함께 조합 최적화하여 물리계층 보안을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 스파이의 CSI가 불완전할 경우 IRS 보조 시스템의 기밀 성능에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 강건성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 다중 IRS에 반사 요소를 분산 배치하는 것이 단일 IRS에 집중 배치하는 것보다 기밀 전송률과 보안 강건성 측면에서 우월한가?
• RQ4 전송 빔포밍, 인공 노이즈, IRS 위상 각도의 조합 최적화에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 수렴 보장이 있는 방식으로 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 어려운 전파 환경에서 기존의 IRS 없이 구현된 전통적 시스템에 비해 IRS 보조 보안 통신의 성능 향상은 어떠한가?

주요 결과

• IRS는 특히 비선형 시선 환경에서 IRS 없이 구현된 전통적 시스템에 비해 시스템의 기밀 성능을 크게 향상시킨다.
• 제안된 알고리즘은 높은 기밀 전송률을 달성하면서도 불완전한 스파이 CSI에 대해 강건함을 입증하며 타당해에 수렴한다.
• 반사 요소를 다중 IRS에 분산 배치하는 것이 단일 IRS에 집중 배치하는 것보다 더 우수한 기밀 성능을 제공한다. 이는 향상된 공간 다이나믹스에 기인한다.
• 빔포밍, 인공 노이즈, IRS 위상 각도의 조합 최적화가 높은 총 전송률을 달성하면서도 스파이에 대한 정보 泄露를 낮게 유지한다.
• 시뮬레이션 결과는 페널티 기반 SCA 및 SDR 기반 접근 방식이 IRS의 비볼록 단위 모듈러스 제약 조건을 효과적으로 다룬다는 것을 확인한다.
• 이론적 분석을 통해 반복 알고리즘의 수렴 지점이 랭크-일치 제약 조건을 충족함을 증명하여 타당성과 최적해 수렴을 보장한다.