[논문 리뷰] Security Enhancement for Coupled Phase-Shift STAR-RIS Networks

Zheng Zhang, Zhaolin Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실내 및 실외 사용자 간 최소 비밀 통신 용량을 최대화하여 공정성과 보안성을 확보하기 위해 결합된 위상각을 갖는 STAR-RIS 네트워크를 위한 페널티 기반 비밀 빔포밍(PSB) 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 위상 결합 제약 조건 하에 전송 빔포밍과 위상각 계수를 공동 최적화하여 단지 4비트 양자화로도 거의 연속적 위상각 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The secure transmission of the simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) aided communication system is investigated. Considering the coupled phase shifts of STAR-RISs and the fair secrecy requirement of users, a novel secure beamforming design is proposed for addressing the unique full-space mutual eavesdropping of STAR-RIS aided communication. In particular, a penalty based secrecy beamforming algorithm is developed to solve the resulting non-convex optimization problem, where the closed-form solutions of the coupled transmission/reflection coefficients are obtained in each iteration. Numerical results demonstrate that 1) the proposed scheme achieves higher secrecy capacity than conventional RIS; 2) 4-bit discrete phase shifters are sufficient for secrecy guarantee.

연구 동기 및 목표

• 전송 및 반사가 동시에 발생함에 따라 전체 공간에서의 도청 위험이 증가하는 STAR-RIS 네트워크의 보안 도전 과제를 해결하기 위해.
• 결합된 위상각 제약 조건 하에서 실내 및 실외 사용자 간 비밀 통신 용량의 공정성을 보장하는 안전한 빔포밍 설계를 위해.
• 실제 위상 결합 및 양자화 조건 하에서 전송 빔포밍과 STAR-RIS 반사/투과 계수를 공동으로 설계하는 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 기존 RIS와 비교했을 때 STAR-RIS의 비밀 통신 성능 향상을 평가하고, 거의 최적 성능을 달성하기 위한 최소 위상 양자화 비트 수를 결정하기 위해.

제안 방법

• 결합된 위상각 제약 조건이 있는 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 페널티 기반 비밀 빔포밍(PSB) 알고리즘을 제안한다.
• 외부 루프에서 결합된 위상각 제약 조건을 처리하기 위해 증강 라그랑주(AR) 근사를 사용한다.
• 내부 루프에서는 랭크-일치 전송 빔포밍 벡터를 확보하기 위해 정규화된 준정방형 프로그래밍(SDR)을 적용한다.
• 일阶 최적성 조건을 사용하여 결합된 투과 및 반사 계수에 대한 폐쇄형 해를 유도한다.
• 모든 사용자 간 최소 비밀 통신 용량을 최대화함으로써 수렴성을 확보하고 공정성을 유지한다.
• 시스템 모델은 라이케이언 fading 채널을 가정하며, 전력 제약과 위상 결합 제약 조건 하에서 빔포밍과 STAR-RIS 위상각을 공동 최적화한다.

Figure 1: A coupled phase-shift STAR-RIS aided secrecy downlink network.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송 및 반사 계수 간에 본질적으로 연결되어 있는 결합된 위상각을 갖는 STAR-RIS 네트워크에서 물리계층 보안을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 공정성 제약 조건 하에서 실내 및 실외 사용자 간 최소 비밀 통신 용량을 최대화하는 최적의 빔포밍 전략은 무엇인가?
• RQ3 위상 양자화는 결합된 위상각 STAR-RIS 시스템에서 비밀 통신 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 연속적 위상각과 이산적 위상각 간의 비밀 통신 용량에서의 성능 격차는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 PSB 알고리즘은 기존 RIS보다 더 높은 비밀 통신 용량을 달성하여 STAR-RIS가 안전한 통신에서 우월함을 입증한다.
• 실내 및 실외 사용자 간 최소 비밀 통신 용량을 최대화함으로써 이 알고리즘이 공정성을 보장한다.
• 단지 4비트 위상 양자화로도 이산적 STAR-RIS가 연속적 위상각 성능과 유사한 비밀 통신 성능을 달성한다.
• 결합된 위상각 STAR-RIS는 기존 RIS 및 무작위 위상각 설계보다 뛰어나지만, 위상 결합으로 인해 독립된 위상각 STAR-RIS에 비해 略로 뒤처진다.
• 저전력 영역에서는 간섭 없는 복원이 가능하기 때문에 시간 스위칭(TS) 기반 설계가 에너지 분할(ES) 설계보다 우수하며, 고전력 영역에서는 시간 활용도가 더 높아 ES 설계가 더 우수하다.
• 사용자 측에 STAR-RIS를 설치할 경우, 계단식 링크에서의 경로 손실 감소로 인해 더 높은 비밀 통신 성능을 달성한다.

Figure 2: Simulation setup for the considered network.