[논문 리뷰] Robust Transmission Design for Intelligent Reflecting Surface Aided Secure Communication Systems with Imperfect Cascaded CSI

Sheng Hong, Cunhua Pan외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 완벽하지 않은 이중 채널 상태 정보(CSI)를 가진 지능형 반사면(IRS) 기반 보안 통신 시스템을 위한 강건한 전송 설계를 제안한다. 전송 beamforming, 인공 잡음(AN) 공분산, IRS 위상 이득을 동시에 최적화하여 고장 발생률 제약 조건 하에서 전송 전력 소모를 최소화한다. 베르누이 스타일 부등식과 페널티 기반 및 준정적 프로그래밍 기법을 활용한 교대 최적화 방법을 통해, 기준 대비 뚜렷한 전력 절감과 CSI 오차에 대한 강건성을 확보한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the design of robust and secure transmission in intelligent reflecting surface (IRS) aided wireless communication systems. In particular, a multi-antenna access point (AP) communicates with a single-antenna legitimate receiver in the presence of multiple single-antenna eavesdroppers, where the artificial noise (AN) is transmitted to enhance the security performance. Besides, we assume that the cascaded AP-IRS-user channels are imperfect due to the channel estimation error. To minimize the transmit power, the beamforming vector at the transmitter, the AN covariance matrix, and the IRS phase shifts are jointly optimized subject to the outage rate probability constraints under the statistical cascaded channel state information (CSI) error model that usually models the channel estimation error. To handle the resulting non-convex optimization problem, we first approximate the outage rate probability constraints by using the Bernstein-type inequality. Then, we develop a suboptimal algorithm based on alternating optimization, the penalty-based and semidefinite relaxation methods. Simulation results reveal that the proposed scheme significantly reduces the transmit power compared to other benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사면(IRS) 기반 보안 통신 시스템에서 채널 추정 오차로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 통계적 CSI 오차 모델 하에서 정상적인 기밀 전송률을 확보하면서 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 고장 발생률 제약 조건 하에서 전송 beamforming, 인공 잡음(AN) 공분산, IRS 위상 이득을 동시에 최적화하기 위해.
• 가로채기자 채널 상태 정보의 불확실성에도 효과적으로 작동하는 강건한 설계를 개발하기 위해.
• 제안된 방법이 기준 대비 전력 효율성과 CSI 오차에 대한 강건성 측면에서 뛰어나다는 것을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중 CSI의 불완전성으로 인한 고장 발생률 제약 조건 하에서 전송 전력을 최소화하기 위한 확률적 제약 조건을 가진 최적화 문제(OC-PM)를 수립한다.
• 비선형 확률 제약 조건을 다룰 수 있도록 비선형 제약 조건을 결정론적 등가로 근사하기 위해 베르누이 스타일 부등식(BTI)을 적용한다.
• 전송 벡터, AN 공분산 행렬, IRS 위상 이득을 순차적으로 최적화하기 위해 교대 최적화(AO) 프레임워크를 활용한다.
• IRS 위상 이득의 비선형 단위 모듈러스 제약 조건을 처리하기 위해 페널티 기반 방법을 사용한다.
• 비선형 하위 문제를 효율적으로 해결하기 위해 준정적 프로그래밍(SDR) 기법을 적용하여 비선형 문제를 선형 문제로 변환한다.
• 이중 채널(AP-IRS-사용자)의 불확실성을 표현하기 위해 통계적 CSI 오차 모델링을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 추정 오차로 인해 이중 CSI가 불완전한 지능형 반사면(IRS) 기반 보안 시스템에서 전송 전력을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 통계적 CSI 오차는 지능형 반사면(IRS) 기반 물리계층 보안에서 기밀 전송률과 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 beamforming, 인공 잡음, IRS 위상 이득을 동시에 최적화하면 CSI 불확실성 하에서 보안성과 강건성이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 가로채기자 CSI를 활용할 경우 전력 효율성 향상과 AN 전력 사용 감소에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 제안된 강건한 설계는 기준 대비 전송 전력과 CSI 오차에 대한 내성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 강건한 전송 설계는 기준 대비 뚜렷한 전송 전력 절감 효과를 보이며, 특히 CSI 오차 분산이 높을수록 유의미한 성능 향상을 보인다.
• CSI 오차 분산이 증가함에 따라 전송 전력은 증가하지만, 제안된 방법은 무작위 MRT, 최적화된 MRT, 무작위 IRS 방법 대비 더 낮은 증가율과 높은 강건성을 보인다.
• 제안된 방법의 경우 총 전송 전력 대비 AN 전력 비율이 20% 미만이지만, MRT 기반 방법은 70% 이상을 차지하여 간섭 효율성이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• IRS 위상 이득 최적화를 통해 더 적은 AN 전력으로도 효과적인 가짜 간섭을 유도할 수 있어 자원 낭비를 줄였다.
• 가로채기자 CSI가 불완전한 상황에서도 제안된 방법은 강력한 기밀 전송 성능 유지를 보이며, 채널 불확실성에 대한 강건성을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과는 beamforming, AN, IRS 위상 이득의 공동 최적화가 현실적인 CSI 오차 조건 하에서 상당한 전력 절감과 보안성 향상에 기여한다는 것을 확인하였다.