[论文解读] Hybrid Relay-Reflecting Intelligent Surface-Aided Covert Communications

Jinsong Hu, Xiaoqiang Shi+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出一种混合中继-反射智能表面（HR-RIS），通过联合优化发射功率与HR-RIS的反射/中继系数，在满足隐蔽性约束条件下最大化隐蔽速率。结果表明，即使仅有少量主动中继单元（例如5个），其性能也显著优于传统无源RIS，且由于功率限制，在达到某一阈值后增益呈递减趋势。

ABSTRACT

In this paper, we propose to use a hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS) to enhance the performance of a covert communication system. Specifically, the HR-RIS consists of passive reflecting elements and active relay elements to manipulate the wireless signals from a transmitter to a desired receiver while ensuring the covertness of the transmission via avoiding such signals being detected by a warden. To fully explore the benefits offered by the HR-RIS, we first formulate the joint design of the transmit power and relay/reflection coefficients of the HR-RIS as an optimization problem to maximize the covert rate subject to a covertness constraint. To tackle the solution to this optimization problem, we then derive a closed-form expression for an upper bound on covert rate, based on which we develop an alternate algorithm to solve the formulated optimization problem. Our examination shows that the HR-RIS outperforms the traditional RIS in term of achieving a higher covert rate. Interestingly, we also observe the major part of the performance gain brought by the HR-RIS can be obtained by a small number of active relay elements (e.g., 5) and further increasing this number does not improve the covert communication performance.

研究动机与目标

• 通过将主动中继单元集成到传统智能反射面（RIS）中，提升隐蔽通信性能。
• 解决无源RIS自由度受限的问题，该问题限制了波束成形增益，并导致其性能相较于中继系统受限。
• 联合优化发射功率与HR-RIS系数（相位、幅度及中继增益），以最大化隐蔽速率。
• 通过约束威利（Willie）的零假设与备则假设之间的Kullback-Leibler（KL）散度，确保隐蔽性。
• 在固定功率预算下，确定实现性能增益的最优主动单元数量。

提出的方法

• 建立联合优化问题，以在基于KL散度的隐蔽性约束下最大化鲍勃（Bob）的隐蔽速率。
• 采用交替优化（AO）算法，迭代优化HR-RIS系数矩阵与发射功率。
• 推导出隐蔽速率的闭式上界，以指导AO算法的收敛。
• 应用关于发射功率单调递增的KL散度函数，以确定给定 $ \boldsymbol{\theta} $ 下的最优 $ P_a^* $。
• 将HR-RIS建模为混合系统，包含 $ M $ 个无源反射单元与 $ K $ 个主动中继单元，每个单元具备独立的相位与幅度控制能力。
• 为主动单元采用半双工放大-转发（AF）模式，实现信号再生与增强的波束成形增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合中继-反射智能表面（HR-RIS）是否能在隐蔽通信系统中优于传统无源RIS？
• RQ2 在固定功率预算下，HR-RIS中主动中继单元的最优数量是多少，以最大化隐蔽速率？
• RQ3 联合优化发射功率与HR-RIS系数如何影响系统的隐蔽性与可靠性？
• RQ4 增加主动单元数量是否总是能提升隐蔽速率，还是存在性能饱和点？
• RQ5 功率预算约束如何影响HR-RIS辅助隐蔽系统中的波束成形增益与信号放大性能？

主要发现

• 由于主动单元带来的增强波束成形与信号再生，HR-RIS相较于传统无源RIS实现了显著更高的隐蔽速率。
• 少量主动中继单元（例如5个）即可实现绝大部分性能增益，超过该阈值后增益呈递减趋势。
• 当主动单元数量超过最优值时，由于功率预算限制，信号出现衰减（$ |\beta_n| < 1 $），导致隐蔽速率下降。
• 作为隐蔽性度量的KL散度随发射功率单调递增，从而可精确确定任意给定HR-RIS配置下的最优 $ P_a^* $。
• 所提出的交替优化（AO）算法收敛迅速，且在最大化隐蔽速率方面达到近似最优性能。
• 数值结果证实，当 $ K=5 $ 时，HR-RIS的隐蔽速率增益可与采用更大 $ K $ 值的系统相媲美，验证了最小化主动单元部署的高效性。