[論文レビュー] Secrecy Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-Antenna Communications

Hong Shen, Wei Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いたマルチアンテナシステムにおいて、送信共分散とIRS位相シフトを共同で設計することで、セキュリティレートを最大化するための交互最適化アルゴリズムを提案する。閉形式および準閉形式の解を達成し、収束性を保証するとともに、従来の設計と比較して物理層セキュリティ性能を著しく向上させる。

ABSTRACT

We investigate transmission optimization for intelligent reflecting surface (IRS) assisted multi-antenna systems from the physical-layer security perspective. The design goal is to maximize the system secrecy rate subject to the source transmit power constraint and the unit modulus constraints imposed on phase shifts at the IRS. To solve this complicated non-convex problem, we develop an efficient alternating algorithm where the solutions to the transmit covariance of the source and the phase shift matrix of the IRS are achieved in closed form and semi-closed forms, respectively. The convergence of the proposed algorithm is guaranteed theoretically. Simulations results validate the performance advantage of the proposed optimized design.

研究の動機と目的

• IRS支援型マルチアンテナシステムにおける物理層セキュリティ最適化の不足を解消すること。
• 送信パワー制約および単位モジュラス位相シフト制約の下でセキュリティレートを最大化すること。
• 送信共分散とIRS位相シフト行列を共同で最適化する効率的なアルゴリズムの開発。
• 提案された交互アルゴリズムの理論的収束性を保証すること。

提案手法

• 1つの変数を固定し、他方を最適化する交互アルゴリズムを提案する。
• ラグランジュの対処法と固有値分解を用いて、送信共分散を閉形式で導出する。
• タイトなバウンディング技術を用いた二分探索ベースの準閉形式解により、位相シフト行列を最適化する。
• 交互な更新によりセキュリティレートを段階的に向上させることで、アルゴリズムが収束することを保証する。
• 盗聴者が複数のアンテナを備える場合の拡張も行う。
• 非凸制約の凸緩和とタイトな近似を活用することで、全探索を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的ハードウェア制約下で、IRS支援型マルチアンテナシステムにおけるセキュリティレートをどのように最大化できるか？
• RQ2 物理層セキュリティを強化するために、最適な送信ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同設計は何か？
• RQ3 非凸なセキュリティレート最大化問題に対して、収束性が保証された低複雑度のアルゴリズムを開発できるか？
• RQ4 IRSサイズ、ユーザー距離、盗聴者構成の変化に伴い、性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、特に合法ユーザーがIRSに近い場合、従来手法と比較して顕著なセキュリティレート向上を達成する。
• 合法受信機がIRSに近い場合、IRS要素数が増加するにつれてセキュリティレートが上昇する。これは、より強い構築的反射によるものである。
• 盗聴者アンテナ数が増えると性能が劣化する。これは、Eveの実現可能レートが上昇するためである。
• 小規模なIRSサイズでは、提案手法がグリッドサーチの最適解とほぼ同一のセキュリティレートを達成する。
• アルゴリズムは信頼性高く収束し、収束性の理論的証明が提供されている。
• レート最大化において観察される二乗パワー利得効果は、セキュリティレート最適化では見られない。これは、合法チャネルと盗聴チャネルの両方のバランスを取る設計に起因する。