[논문 리뷰] Secure Wireless Communication via Intelligent Reflecting Surface

Miao Cui, Guangchi Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 327

한 줄 요약

논문은 IRS 보조 보안 무선 시스템으로, 다중 안테나 AP와 IRS가 협력하여 AP 송신 빔형성과 IRS 반사 빔형성을 교대 최적화(In alternating optimization) 및 SDR 기법을 사용해 단일 안테나 eavesdropper에 대한 비밀도(R) 최대화를 달성한다.

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) can adaptively adjust the phase shifts of its reflecting units to strengthen the desired signal and/or suppress the undesired signal. In this letter, we investigate an IRS-aided secure wireless communication system where a multi-antenna access point (AP) sends confidential messages to a single-antenna user in the presence of a single-antenna eavesdropper. In particular, we consider the challenging scenario where the eavesdropping channel is stronger than the legitimate communication channel and they are also highly correlated in space. We maximize the secrecy rate of the legitimate communication link by jointly designing the AP's transmit beamforming and the IRS's reflect beamforming. While the resultant optimization problem is difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain high-quality suboptimal solution for it by applying the alternating optimization and semidefinite relaxation methods. Simulation results show that the proposed design significantly improves the secrecy communication rate for the considered setup over the case without using the IRS, and outperforms a heuristic scheme.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사 표면(IRS)을 활용하여 보안 무선 통신을 촉진하고 가능하게 한다.
• 도청자가 존재하는 상황에서 활성(AP) 및 수동(IRS) 빔형성을 공동으로 설계하여 AP-사용자 링크의 비밀도를 형식화하고 최대화한다.
• 비볼록 문제를 풀기 위한 교대 최적화 및 SDR 기반의 효율적인 근사 알고리즘을 개발한다.
• 시뮬레이션을 통해 IRS 보조 설계가 무 IRS 및 휴리스틱 스킴 대비 성능 이점을 보임을 입증한다.

제안 방법

• N개의 요소를 가진 IRS의 보조를 받는 단일-안테나 사용자를 대상으로 다중-입력 단일 출력(MISO) AP가 단일-안테나 도청자와 통신하는 모델을 설정한다.
• 전력 및 단위-모듈러스 제약 하에 비밀도 R_sec = [R_U − R_E]^+를 최대화하도록 AP 송신 빔형성 w와 IRS 반사 빔형성 q를 공동으로 최적화한다.
• w에 대한 하위 문제를 (B+I/P_AP)^{-1}(A+I/P_AP)의 최대 고유값을 이용한 폐쇄해 형태의 해를 갖는 일반화 고유벡터 문제로 변환한다.
• IRS 의존항을 s = [q^T, 1]^T 로 표현하고, 결과 분수목적에서 계수 리랏(rank) 제약을 완화하기 위해 SDR을 적용한다; SDP를 풀기 위해 Charnes-Cooper 변환을 사용한다.
• QoS 유사 하위 문제를 풀 때 SDR 해로부터 가능한 q를 복원하기 위해 Gaussian 무작위화를 적용한다.
• 수렴할 때까지 w와 q의 최적화를 반복한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도청자의 채널이 합법 채널보다 강하고 공간적으로 상관된 경우에 IRS가 비밀도를 개선할 수 있는가?
• RQ2 무 IRS 혹은 IRS 디자인이 포함된 휴리스틱 AP-MRT 대비 활성(AP)과 수동(IRS) 빔형성의 공동 최적화가 어떤 이득을 제공하는가?
• RQ3 IRS 보조 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 송신 및 반사 빔형성을 공동 설계하기 위해 교대 최적화와 SDR을 어떻게 적용할 수 있는가?
• RQ4 제안된 교대 최적화 알고리즘의 수렴 특성과 계산 복잡도는 무엇인가?

주요 결과

• IRS 보조 설계는 IRS 없는 경우에 비해 비밀도를 크게 증가시킨다.
• AP 송신 빔형성과 IRS 반사 빔형성의 공동 최적화는 비밀도 성능의 상한에 접근하고 휴리스틱 AP-MRT-with-IRS 설계보다 우수하다.
• 비밀도는 더 큰 AP 송신 출력과 더 큰 IRS 크기 N에서 향상된다.
• 제안된 알고리즘은 수렴하고, 그 복잡도는 O(N_ite(M^3 + (N+1)^{3.5}))로 확장된다.
• 시뮬레이션은 IRS 위상 조정이 정당 수신기에 사용자 신호를 강화하고 도청자의 수신을 억제함을 보여준다.