[论文解读] Enabling Secure Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 35

一句话总结

本文研究利用智能反射表面（IRS）对无线链路进行安全保护，通过联合设计发射波束成形和 IRS 相位偏移，提出两种高效算法（逐元分块坐标下降 BCD 和交替优化-MM AO-MM）分别用于小尺度和大尺度 IRS，并表明大尺度 IRS 能提升保密速率和能效。

ABSTRACT

In this paper, we propose to utilize intelligent reflecting surfaces (IRSs) for enhancing the physical layer security of wireless communications systems. In particular, an IRS-assisted secure wireless system is considered, where a multi-antenna transmitter communicates with a single-antenna receiver in the presence of an eavesdropper. To maximize the secrecy rate, both the beamformer at the transmitter and the IRS phase shifts are jointly optimized. Based on the block coordinate descent (BCD) and minorization maximization (MM) techniques, two efficient algorithms are developed to solve the resulting non-convex optimization problem for small- and large-scale IRSs, respectively. Simulation results show that IRSs can significantly improve physical layer security if the proposed algorithms are employed. Furthermore, we reveal that deploying large-scale IRSs is more efficient than enlarging the antenna array size of the transmitter for both boosting the secrecy rate and enhancing the energy efficiency.

研究动机与目标

• 以 IRS 作为相较中继和人工噪声的成本低、能效高的替代方案，推动物理层安全的改进。
• 在具备多天线发射机、单天线合法接收器和单天线窃听者的 IRS 辅助 MISO 下行链路中，建立并最大化保密速率的优化问题。
• 开发两种可扩展且高效的算法，用以求解波束成形与 IRS 相位偏移的非凸联合优化。
• 提供关于小尺度与大尺度 IRS 相对性能及能效影响的洞见。

提出的方法

• 将 IRS 辅助的安全系统建模为具有多天线发射机、单天线合法接收端、单天线窃听者，以及具有 M 个相位偏移单元的 IRS。
• 将保密速率最大化问题表述为对发送波束成形向量 f 与 IRS 相位偏移 Φ 的非凸优化问题，且满足单模约束。
• 给定 Φ，利用广义特征值问题推导出闭式最优发送波束成形向量（引理 1）。
• 在块坐标下降框架内提出两种 IRS 相位偏移优化方案：（i）针对小尺度 IRS 的逐元 BCD（引理 2），（ii）针对大尺度 IRS 的 AO-MM（代理下界优化与式（21））。
• 分析两种算法的收敛性与性能权衡，并给出初始化指南（式（22））。
• 将 IRS 辅助设计与无 IRS 基准进行比较，并讨论大尺度 IRS 在能效方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以对 IRS 相位偏移和发射波束成形进行联合优化，以在 IRS 辅助的安全 MISO 系统中最大化保密速率？
• RQ2 在不同 IRS 规模（小尺度与大尺度）下，哪种算法方法在收敛性和保密性能方面更有效？
• RQ3 相比于扩大发射端天线阵列，增大 IRS 尺寸在保密速率和能效方面有何影响？
• RQ4 哪些初始化和计算方面的考虑会影响所提算法的实际性能？

主要发现

• 发射波束成形与 IRS 相位偏移的联合优化相较于无 IRS 的设置可带来显著的保密速率提升。
• 对于小尺度 IRS，逐元 BCD 更快，因为每个块解是全局最优；而对于大尺度 IRS，AO-MM 的可扩展性更好，尽管每次迭代更新可能次优。
• 在保密速率和能效方面，大尺度 IRS 相较于简单扩展发射端天线阵列具有更优表现。
• 研究表明，为提升保密性能，部署更大尺度的 IRS 比增加发射端射频链路更具能效。