[論文レビュー] Secure and Energy Efficient Transmission for IRS-Assisted Cognitive Radio Networks

Xuewen Wu, Jingxiao Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 55被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、主ユーザの干渉制約と物理層セキュリティを満たす条件下で、スループット効率（SEE）を最大化するため、IRS支援型認知無線ネットワークにおける同時送信・反射ビームフォーミング設計を提案する。ペナルティ関数とD.C.プログラミングを組み合わせた反復的アルゴリズムを用いることで、セキュリティレートとエネルギー効率が向上し、シミュレーションにより従来手法に比べスペクトル効率とセキュリティ性能が顕著に向上することが示された。

ABSTRACT

The spectrum efficiency (SE) and security of the secondary users (SUs) in the cognitive radio networks (CRNs) have become two main issues due to the limitation interference to the primary users (PUs) and the shared spectrum with the PUs. Intelligent reflecting surface (IRS) has been recently proposed as a revolutionary technique which can help to enhance the SE and physical layer security of wireless communications. This paper investigates the application of IRS in an underlay CRN, where a multi-antenna cognitive base station (CBS) utilizes spectrum assigned to the PU to communicate with a SU via IRS in the presence of multiple coordinated eavesdroppers (Eves). To achieve the trade-off between the secrecy rate (SR) and energy consumption, we investigate the secrecy energy efficiency (SEE) maximization problem by jointly designing the transmit beamforming at the CBS and the reflect beamforming at the IRS. To solve the non-convex problem with coupled variables, we propose an iterative alternating optimization algorithm to solve the sub-problems alternately, by utilizing an iterative penalty function based algorithm for sub-problem 1 and the difference of two-convex functions method for sub-problem 2. Furthermore, we provide a second-order-cone-programming (SOCP) approximation approach to reduce the computational complexity. Finally, the simulation results demonstrate that IRS can help significantly improve the SE and enhance the physical layer security in the CRNs. Moreover, the effectiveness and superiority of our proposed algorithm in achieving the trade-off between the SR and energy consumption are verified.

研究の動機と目的

• 下位認知無線ネットワークにおけるセキュリティレートとエネルギー消費のトレードオフを解消すること。
• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いて、盗聴を低減することでCRNにおける物理層セキュリティを強化すること。
• 認知ベースステーションの送信ビームフォーミングとIRSの反射ビームフォーミングを共同最適化し、セキュリティエネルギー効率を最大化すること。
• 2次円形プログラミング（SOCP）近似を用いて計算複雑性を低減しながら性能を維持すること。

提案手法

• 送信ビームフォーミングと反射ビームフォーミングの変数が結合された非凸なセキュリティエネルギー効率（SEE）最大化問題を定式化する。
• 反復的交互最適化アルゴリズムを用い、サブ問題を交互に解く：送信ビームフォーミングにはペナルティ関数法、反射ビームフォーミングにはD.C.プログラミングを適用する。
• 計算複雑性を低減しながら解の品質を保持するため、2次円形プログラミング（SOCP）近似を適用する。
• 主ユーザを保護するため干渉温度制約を課し、盗聴者への電力漏れ制御によりセキュリティレートを確保する。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を導出し、ラグランジュ双対性と行列ランク解析を用いてランク1最適ビームフォーミングを証明する。
• 反復的精錬を用いて、目的関数が局所最適解に収束することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主ユーザの干渉制約のもとで、IRS支援型認知無線ネットワークにおけるセキュリティエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 認知ベースステーションとIRSにおける共同ビームフォーミング戦略は、セキュリティレートとエネルギー効率のバランスをどのように取るべきか？
• RQ3 複数の協調的盗聴者を有するCRNにおいて、IRSの導入は物理層セキュリティをどのように向上させるか？
• RQ4 提案手法は従来のビームフォーミング手法や非IRS方式に比べて、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 低複雑性のSOCP近似は、計算コストを削減しつつ、近似的最適なSEEを達成できるか？

主な発見

• 提案手法は、従来のビームフォーミング手法や非IRS方式に比べ、セキュリティレートとエネルギー効率の両面で顕著な向上を達成した。
• IRSの導入によりスペクトル効率が向上し、同時にセカンダリユーザーでの構成的信号合成が可能になった一方、主ユーザおよび盗聴者における干渉を抑制した。
• シミュレーション結果から、反復的アルゴリズムが単調に収束し、反復回数を増やすごとに目的関数が増加することが確認された。
• SOCP近似により計算複雑性が低減されたが、高い性能を維持でき、実時間での展開に実用的であることが示された。
• 最適ビームフォーミング解はランク1であることが確認され、与えられた制約下で単一ストリーム伝送で十分にセキュリティレートを最大化できることが裏付けられた。
• セキュリティエネルギー効率が顕著に向上し、IRSがスケジューリング共有通信のセキュリティと最適化に有効であることが実証された。