[논문 리뷰] Secure Cognitive Radio Communication via Intelligent Reflecting Surface

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전체, 부분적, 또는 도청자 채널 상태 정보(CSI)가 없는 경우에 대해, 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 인피지블 채널 상태 정보(CSI) 하에서 이차 사용자의 기밀 전송률을 향상시키기 위한 시스템을 제안한다. 이중 전송기의 비드포머와 IRS의 위상 시프트를 함께 최적화하기 위해 교대 최적화(AO) 알고리즘을 사용함으로써, 특히 도청자 CSI가 전혀 없는 경우 인위적 노이즈(AN) 비드포밍을 통해 기밀 전송률 향상이 뚜렷하게 이루어지며, 대부분의 시나리오에서 양의 기밀 전송률을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, an intelligent reflecting surface (IRS) assisted spectrum sharing underlay cognitive radio (CR) wiretap channel (WTC) is studied, and we aim at enhancing the secrecy rate of secondary user in this channel subject to total power constraint at secondary transmitter (ST), interference power constraint (IPC) at primary receiver (PR) as well as unit modulus constraint at IRS. Due to extra IPC and eavesdropper (Eve) are considered, all the existing solutions for enhancing secrecy rate of IRS-assisted non-CR WTC as well as enhancing transmission rate in IRS-assisted CR channel without eavesdropper fail in this work. Therefore, we propose new numerical solutions to optimize the secrecy rate of this channel under full primary, secondary users' channel state information (CSI) and three different cases of Eve's CSI: full CSI, imperfect CSI with bounded estimation error, and no CSI. Simulation results show that our proposed solutions for the IRS-assisted design greatly enhance the secrecy performance compared with the existing numerical solutions with and without IRS under full and imperfect Eve's CSI. And positive secrecy rate can be achieved by our proposed AN aided approach given most channel realizations under no Eve's CSI case so that secure communication also can be guaranteed. All of the proposed AO algorithms are guaranteed to monotonic convergence.

연구 동기 및 목표

• 엄격한 전력 제약과 간섭 제약 조건 하에서 IRS를 활용한 언더래이어 코그니티브 라디오 와이퍼 채널(WTC)에서 기밀 전송률을 향상시키는 것.
• 주 사용자 수신기에서의 엄격한 간섭 전력 제약( IPC )으로 인해 코그니티브 라디오 네트워크에서 기밀 전송률 성능이 제한되는 문제를 해결하는 것.
• 세 가지 다른 도청자 CSI 시나리오(전체, 오차가 있는 부분적, 또는 CSI 없음) 하에서 강건한 기밀 전송률 최적화 기법을 설계하는 것.
• 제안된 최적화 알고리즘의 단조 수렴성과 실용적 타당성을 보장하는 것.
• 도청자 CSI가 완전히 알려지지 않은 경우에도 안전한 통신을 보장하기 위해 인위적 노이즈(AN) 비드포밍을 활용하는 것.

제안 방법

• 이중 전송기의 비드포머와 IRS의 위상 시프트 계수를 함께 최적화하기 위해 교대 최적화(AO) 알고리즘을 제안한다.
• 전체 도청자 CSI의 경우, 비볼록 문제를 해결하기 위해 Dinkelbach 기반 솔루션과 순차적 근사 및 페널티 방법을 결합한다.
• 부분적 도청자 CSI의 경우, 유한한 추정 오차를 다루기 위해 페널티 기반의 볼록-비볼록 절차(CCCP)를 활용한다.
• 도청자 CSI가 없는 경우, 정상 수신기의 QoS를 유지하면서 도청자 채널을 악화시키기 위해 인위적 노이즈(AN) 기반 비드포밍 전략을 도입한다.
• IRS 위상 시프트에 단위 모듈러스 제약 조건을 적용하고, 이중 전송기에 전력 제약 조건과 주 사용자 수신기에 간섭 제한 조건을 설정한다.
• 엄격한 알고리즘 설계와 수렴성 분석를 통해 모든 AO 기반 알고리즘의 단조 수렴성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 사용자(도청자 포함)의 CSI가 알려진 조건에서, IRS를 활용한 인지 라디오 WTC에서 기밀 전송률을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 도청자 CSI가 유한한 추정 오차를 가진 부분적 정보일 경우 최적 설계는 어떻게 이루어지며, 강건성은 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ3 도청자 CSI가 전혀 제공되지 않는 경우에도 안전한 통신을 달성할 수 있는가? 이를 보장하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 비드포밍과 IRS 위상 시프트의 공동 최적화가 기존의 IRS 유무에 관계없이 기밀 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 AN 기반 전송에서 도청자 CSI가 없는 조건에서, 정상 수신기의 QoS 요구사항과 기밀 전송률 향상 간의 상충 관계는 무엇이며, 어떻게 균형을 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 AO 알고리즘은 모든 CSI 시나리오에서 단조 수렴성을 확보하여 신뢰할 수 있는 최적화 성능을 보인다.
• 전체 및 부분적 도청자 CSI 조건에서, IRS를 활용한 기법은 IRS 유무에 관계없이 기준 솔루션보다 기밀 전송률 면에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 도청자 CSI가 없는 경우, AN 기반 기법은 대부분의 채널 실현에서 양의 기밀 전송률을 달성하여 도청자 정보가 전혀 없는 상황에서도 안전한 통신을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 기준 SNR이 증가함에 따라 기밀 전송률이 증가하다가, 잔여 AN 신호 전력 감소로 인해 일정 수준 이후 감소하는 경향을 보였다.
• 수렴 속도는 시스템 차원에 따라 달라지며, 전체 CSI의 경우 4~16회 반복, 부분적 CSI의 경우 15~50회 반복을 필요로 하며, 차원이 클수록 더 많은 반복이 필요하다.
• 정상 수신기의 QoS 요구사항과 기밀 전송률 향상 간에 상충 관계가 존재하며, 최적 성능는 목표 SNR과 AN에 할당 가능한 잔여 전력 간의 균형 조절을 통해 달성된다.