[논문 리뷰] Secrecy Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-Antenna Communications

Hong Shen, Wei Xu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 소스 전송 공분산과 IRS 위상 보정을 공동으로 설계함으로써 지능형 반사면(IR)을 활용한 다안테나 시스템에서 비밀성 비율을 최대화하기 위해 교차 최적화 알고리즘을 제안한다. 이는 닫힌 형태 및 반닫힌 형태의 해를 달성하여 수렴성을 보장하고 기존 설계 대비 물리계층 보안 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We investigate transmission optimization for intelligent reflecting surface (IRS) assisted multi-antenna systems from the physical-layer security perspective. The design goal is to maximize the system secrecy rate subject to the source transmit power constraint and the unit modulus constraints imposed on phase shifts at the IRS. To solve this complicated non-convex problem, we develop an efficient alternating algorithm where the solutions to the transmit covariance of the source and the phase shift matrix of the IRS are achieved in closed form and semi-closed forms, respectively. The convergence of the proposed algorithm is guaranteed theoretically. Simulations results validate the performance advantage of the proposed optimized design.

연구 동기 및 목표

• IR-보조 다안테나 시스템에서 물리계층 보안 최적화의 부족을 해결하기 위해.
• 전송 전력 제약과 단위 모듈러스 위상 보정 제약 하에서 비밀성 비율을 최대화하기 위해.
• 소스 전송 공분산과 IRS 위상 보정 행렬을 공동으로 최적화하는 효율적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 제안된 교차 알고리즘의 이론적 수렴성을 보장하기 위해.

제안 방법

• 한 변수를 고정하고 다른 변수를 최적화하는 교차 알고리즘을 제안한다.
• 라그랑주 이중성과 고유분해를 이용해 소스 전송 공분산을 닫힌 형태로 유도한다.
• 엄밀한 경계 기법을 활용한 이분법 검색 기반의 반닫힌 형태 해를 통해 위상 보정 행렬을 최적화한다.
• 변수들을 번갈아가며 갱신함으로써 비밀성 비율을 점진적으로 향상시키는 방식으로 알고리즘이 수렴을 보장한다.
• 다중 안테나를 갖는 도청자 존재 시나리오로 방법을 확장한다.
• 비볼록 제약 조건의 엄밀한 근사와 볼록 이완을 활용하여 전수 검색을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 IR-보조 다안테나 시스템에서 비밀성 비율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 물리계층 보안을 향상시키기 위해 전송 beamforming과 IRS 위상 보정을 최적의 방식으로 어떻게 공동 설계할 수 있는가?
• RQ3 비볼록 비밀성 비율 최대화 문제에 대해 수렴 보장이 있는 저복잡도 알고리즘을 개발할 수 있는가?
• RQ4 IRS 크기, 사용자 거리, 도청자 구성에 따라 성능는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 특히 정상 수신기가 IRS에 가까울 경우 기존 기법 대비 뚜렷한 비밀성 비율 향상을 달성한다.
• 정상 수신기가 IRS에 가까울 경우 IRS 요소 수가 증가할수록 비밀성 비율이 증가한다. 이는 더 강한 건설적 반사로 인한 것이다.
• 도청자 안테나 수가 많아질수록 성능이 열화되며, 이는 Eve의 도달 가능한 비율이 증가하기 때문이다.
• 작은 IRS 크기에서는 제안된 방법이 격자 기반 최적 해와 거의 동일한 비밀성 비율을 달성한다.
• 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하며, 이론적 수렴성 증명이 제공된다.
• 비율 최대화에서 관찰되는 제곱형 전력 이득 효과는 비밀성 비율 최적화에서는 나타나지 않으며, 이는 정상 수신기 및 도청자 채널을 균형 있게 고려하기 때문이다.