[논문 리뷰] Secure Wireless Communication in RIS-Aided MISO Systems with Hardware Impairments

Gui Zhou, Cunhua Pan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 잔류 수신기/송신기 하드웨어 결함으로 인한 영향을 고려하여 재구성 가능 지능 표 superfine(RIS)-보조 MISO 시스템에서 비밀성률을 최대화하기 위한 강건한 빔포밍 설계를 제안한다. 활성 빔포밍(기지국에서)과 수동 빔포밍(RIS에서)을 동시에 최적화하기 위해 순차적 볼록 근사( successive convex approximation, SCA)와 정수형 프로그래밍( semidefinite programming, SDP)을 사용한 교대 최적화( alternating optimization, AO) 기법을 적용함으로써, 특히 높은 하드웨어 결함 수준에서 비강건 기준 대비 뛰어난 비밀성 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In practice, residual transceiver hardware impairments inevitably lead to distortion noise which causes the performance loss. In this paper, we study the robust transmission design for a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided secure communication system in the presence of transceiver hardware impairments. We aim for maximizing the secrecy rate while ensuring the transmit power constraint on the active beamforming at the base station and the unit-modulus constraint on the passive beamforming at the RIS. To address this problem, we adopt the alternate optimization method to iteratively optimize one set of variables while keeping the other set fixed. Specifically, the successive convex approximation (SCA) method is used to solve the active beamforming optimization subproblem, while the passive beamforming is obtained by using the semidefinite program (SDP) method. Numerical results illustrate that the proposed transmission design scheme is more robust to the hardware impairments than the conventional non-robust scheme that ignores the impact of the hardware impairments.

연구 동기 및 목표

• 잔류 수신기/송신기 하드웨어 결함으로 인한 RIS-보조 물리계층 보안의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 송신 전력 제약과 단위 모듈러스 제약을 고려하여 왜곡 노이즈를 반영한 비밀성률 최대화 문제를 수립한다.
• 기지국의 활성 빔포밍과 RIS의 수동 빔포밍을 동시에 최적화하는 강건한 전송 설계를 개발한다.
• 기존 비강건 설계와 달리 실제 하드웨어 결함 상황에서도 효과적인 성능 유지를 보장한다.

제안 방법

• 기타 변수를 고정한 채로 활성 빔포밍과 수동 빔포밍을 번갈아 최적화하는 교대 최적화(AO) 기법을 적용한다.
• 비볼록 활성 빔포밍 하위문제를 제2차원 원형 프로그래밍(SOCP)으로 변환하기 위해 순차적 볼록 근사( SCA) 기법을 사용한다.
• 단위 모듈러스 제약을 완화함으로써 정수형 프로그래밍( SDP)을 사용해 수동 빔포밍 하위문제를 해결한다.
• 하드웨어 결함에 의해 유도되는 왜곡 노이즈를 신호 전력 비례하는 분산을 가진 가우시안 노이즈로 모델링한다.
• 왜곡 노이즈 모델을 비밀성률 최적화에 통합하여 강건성을 확보한다.
• 비밀성률의 단조 증가성과 목적 함수의 유계성을 입증함으로써 AO 알고리즘의 수렴성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잔류 하드웨어 결함은 RIS-보조 MISO 시스템에서 비밀성률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 강건한 빔포밍 설계는 RIS-보조 보안 시스템에서 하드웨어 결함으로 인한 성능 저하를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 하드웨어 결함의 위치와 심각도(기지국 대비 사용자)가 시스템의 비밀성률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 하드웨어 결함 존재 하에서 제안된 강건 설계는 비강건 설계 대비 얼마나 높은 성능 향상을 달성하는가?
• RQ5 RIS 반사 요소의 수가 증가할 경우 하드웨어 결함 상황에서 비밀성률은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 강건한 빔포밍 설계는 특히 높은 하드웨어 결함 수준에서 비강건 설계보다 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 왜곡 노이즈가 신호 전력에 비례하므로 전송 전력 증가에 따라 비밀성률이 포화 상태에 도달한다.
• 합법 사용자에 존재하는 하드웨어 결함이 기지국의 것보다 더 큰 부정적 영향을 비밀성률에 미치며, 이는 수신기에서 상대적으로 더 높은 노이즈 전력으로 인한 것이다.
• RIS 요소 수를 늘일수록 비밀성률 향상이 이루어지지만, 하드웨어 결함 수준이 증가할수록 이익의 증가율은 감소한다.
• RIS-강건 설계는 NonRIS-강건 설계보다 더 뛰어난 비밀성 성능을 달성함으로써 RIS와 강건 설계의 병합 이점을 입증한다.
• AO 알고리즘은 단조적으로 수렴하며, 계산 복잡도는 SOCP($\tfrac{1}{2}N^3$)와 SDP($\tfrac{1}{2}M^{3.5}$) 하위문제에 의해 주로 결정된다.