[논문 리뷰] Secure Transmission Strategy for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless System

Biqian Feng, Yongpeng Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 물리계층 비밀성 제약 하에 에너지 소비를 최소화하면서도 스마트 반사면(ISR) 기반 무선 시스템에서의 안전한 전송 전략을 제안한다. 순위-일치 채널의 경우 접근점에서의 beamforming 벡터와 IRS에서의 위상 이득을 별도로 설계하고, 전 Rank 채널의 경우 고유값 기반 및 정수형 프로그래밍/기울기 기반 알고리즘을 사용해 공동으로 설계하여, 순간 및 통계적 CSI 상황 모두에서 낮은 복잡도의 솔루션으로 뚜렷한 비밀성 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the design of secure transmission frameworks with an intelligent reflecting surface (IRS). Our design aims to minimize the system energy consumption in cases of rank-one and full-rank access point (AP)-IRS links. To facilitate the design, the problem is divided into two parts: design of beamforming vector at AP and phase shift at IRS. In the rank-one channel model, the beamforming vector design and phase shift design are independent. A closed-form expression of beamforming vector is derived. Meanwhile, some algorithms, including the semidefinite relaxation algorithm and projected gradient algorithm, are taken to solve the phase shift problem in the case of instantaneous channel, and in the statistical channel model, the impact of phase shift on the overall system is analyzed. However, since beamforming and phase shift depend on each other in the full-rank model, we refer to conventional wiretap model and utilize an eigenvalue-based algorithm to obtain beamforming vector, while the aforementioned two phase optimization schemes are also applied. Simulation results show that the IRS-enhanced system is envisioned to improve physical layer security.

연구 동기 및 목표

• 물리계층 보안 제약 하에 IRS 기반 무선 시스템에서의 시스템 에너지 소비를 최소화하기 위해.
• 순위-일치 및 전 Rank AP-IRS 채널 모델 모두에서 안전한 전송을 위한 공동 beamforming 및 위상 이득 최적화 문제를 해결하기 위해.
• 순간 및 통계적 채널 상태 정보(CSI) 하에서 beamforming 및 위상 이득 설계를 위한 낮은 복잡도이면서 효과적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• LoS 및 NLoS 상황 모두에서 IRS 위상 이득이 비밀성 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• IRS 배치가 비밀성 전송률 향상과 탐지 능력 감소를 통해 물리계층 보안을 향상시킨다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 안전한 전송 문제를 두 단계로 분해한다: 접근점(AP)에서의 beamforming 벡터 설계와 스마트 반사면(IRS)에서의 위상 이득 최적화.
• 순위-일치 AP-IRS 채널의 경우, 닫힌 형태의 beamforming 벡터를 유도하고, 정수형 리프레시(SDR) 및 투영 기울기 하강(PGD) 알고리즘을 적용해 위상 이득을 최적화한다.
• 통계적 CSI 상황에서는 순간 CSI가 필요 없이 위상 이득이 평균 비밀성 전송률에 미치는 영향을 분석한다.
• 전 Rank 채널의 경우, 고유값 기반 beamforming 알고리즘을 적용하고, 이를 SDP 및 PGD 기반 위상 이득 최적화와 결합하여 결합된 beamforming-위상 이득 설계를 처리한다.
• 단일 안테나의 정상 사용자 및 탐지자와 함께 가우시안 MISO 웨이트채널 모델을 사용하며, IRS는 위상 이득 장치를 갖춘 수동 beamformer로 모델링한다.
• 전 Rank 채널의 경우, LoS 및 NLoS 구성요소를 조합한 하이브리드 채널 모델을 사용하며, NLoS 구성요소는 Rician fading으로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 기반 시스템에서 에너지 소비를 최소화하면서도 안전한 전송을 보장하기 위해 beamforming과 위상 이득을 공동 최적화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 순위-일치 및 전 Rank AP-IRS 채널 조건 하에서 IRS가 물리계층 비밀성 전송률 향상에 기여하는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 통계적 CSI 상황에서 IRS의 위상 이득이 평균 비밀성 전송률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 위상 이득 최적화에서 SDP 및 PGD 알고리즘 간의 계산 복잡도와 비밀성 전송률 성능 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 순위-일치 채널에서 beamforming과 위상 이득을 분리함으로써 체계적 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 비밀성 성능을 손상시키지 않을 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 beamforming 및 위상 이득 설계는 특히 정상 사용자가 IRS에 가까울 때와 탐지자가 AP에 가까울 때 뚜렷한 비밀성 전송률 향상을 달성한다.
• 순위-일치 채널 모델에서 beamforming 및 위상 이득 설계는 분리되어 있어 닫힌 형태의 beamforming 솔루션과 낮은 복잡도의 위상 이득 최적화를 가능하게 한다.
• 전 Rank 채널의 경우, 고유값 기반 beamforming 알고리즘과 SDP/PGD 기반 위상 이득 최적화를 조합하면 높은 비밀성 전송률 성능을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과, SDP 및 PGD 알고리즘이 동일한 비밀성 전송률 성능을 달성하지만, PGD는 SDP보다 상당히 느리게 수렴한다.
• 정상 사용자가 IRS에서 멀리 떨어져 있을 경우, 신호 감쇄로 인해 AP에서의 거리가 증가할수록 전력 소비가 증가하지만, 시스템은 AP에서 150m 떨어진 곳에서도 여전히 비밀성을 유지한다.
• 등방성 채널 모델에 기반해 IRS 위치 주변에서 대칭적인 전력 소비 패tern을 보이며, 이는 IRS가 커버리지와 보안을 균형 있게 조절하는 역할을 한다는 것을 확인한다.