[论文解读] Secure Cognitive Radio Communication via Intelligent Reflecting Surface

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 6

一句话总结

本文提出了一种智能反射表面（IRS）辅助的认知无线电系统，以在完全、不完全和无窃听者信道状态信息（CSI）的情况下提升次用户的安全速率。通过使用交替优化（AO）算法联合优化次用户发射端的波束成形和IRS的相位偏移，该方案在无窃听者CSI时通过人工噪声（AN）波束成形实现了显著的安全速率增益，确保了大多数场景下的正向安全速率。

ABSTRACT

In this paper, an intelligent reflecting surface (IRS) assisted spectrum sharing underlay cognitive radio (CR) wiretap channel (WTC) is studied, and we aim at enhancing the secrecy rate of secondary user in this channel subject to total power constraint at secondary transmitter (ST), interference power constraint (IPC) at primary receiver (PR) as well as unit modulus constraint at IRS. Due to extra IPC and eavesdropper (Eve) are considered, all the existing solutions for enhancing secrecy rate of IRS-assisted non-CR WTC as well as enhancing transmission rate in IRS-assisted CR channel without eavesdropper fail in this work. Therefore, we propose new numerical solutions to optimize the secrecy rate of this channel under full primary, secondary users' channel state information (CSI) and three different cases of Eve's CSI: full CSI, imperfect CSI with bounded estimation error, and no CSI. Simulation results show that our proposed solutions for the IRS-assisted design greatly enhance the secrecy performance compared with the existing numerical solutions with and without IRS under full and imperfect Eve's CSI. And positive secrecy rate can be achieved by our proposed AN aided approach given most channel realizations under no Eve's CSI case so that secure communication also can be guaranteed. All of the proposed AO algorithms are guaranteed to monotonic convergence.

研究动机与目标

• 在严格功率和干扰约束下，提升IRS辅助的认知无线电合作窃听信道（WTC）中的安全速率。
• 解决由于主用户接收端干扰功率约束（IPC）过紧而导致的CR网络中安全速率性能受限的问题。
• 针对三种不同的窃听者CSI场景（完全、不完全且具有有界误差、无CSI）设计鲁棒的安全速率优化方案。
• 确保所提出的优化算法具有单调收敛性和实际可行性。
• 即使在完全未知窃听者CSI的情况下，也通过人工噪声（AN）波束成形确保安全通信。

提出的方法

• 提出一种交替优化（AO）算法，用于联合优化次用户发射端的波束成形和IRS的相位偏移系数。
• 在完全窃听者CSI情况下，采用基于Dinkelbach的解法，并结合连续逼近与惩罚方法，求解非凸问题。
• 在不完全窃听者CSI情况下，采用基于惩罚的凸-凹逼近过程（CCCP）以处理有界估计误差。
• 在无窃听者CSI情况下，引入一种人工噪声（AN）辅助波束成形策略，以恶化窃听者的信道质量，同时保持合法接收端的QoS。
• 对IRS相位偏移施加单位模长约束，对次用户发射端施加功率约束，并对主用户接收端施加干扰限制。
• 通过严谨的算法设计与收敛性分析，确保所有基于AO的算法均具有单调收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全掌握所有用户（包括窃听者）CSI的情况下，如何最大化IRS辅助的认知无线电WTC中的安全速率？
• RQ2 当窃听者CSI不完全且存在有界估计误差时，最优设计是什么？如何确保鲁棒性？
• RQ3 当窃听者CSI完全不可用时，能否实现安全通信？何种机制可确保正向安全速率？
• RQ4 与传统无IRS或有IRS的方案相比，波束成形与IRS相位偏移的联合优化如何提升安全性能？
• RQ5 在无窃听者CSI且采用AN辅助传输时，合法用户QoS要求与安全速率增强之间存在何种权衡？

主要发现

• 所提出的AO算法在所有CSI场景下均实现单调收敛，确保了优化性能的可靠性。
• 在完全和不完全窃听者CSI情况下，IRS辅助方案在安全速率方面显著优于包含和不包含IRS的基准方案。
• 在无窃听者CSI情况下，AN辅助方案在大多数信道实现中实现了正向安全速率，确保了即使在缺乏窃听者信息的情况下也能实现安全通信。
• 仿真结果表明，安全速率先随目标信噪比（SNR）增加至某一峰值，之后因用于AN信号的剩余功率减少而下降。
• 收敛速度随系统维度变化：完全CSI下为4–16次迭代，不完全CSI下为15–50次迭代，维度越高所需迭代次数越多。
• 合法用户QoS与安全速率之间存在权衡，最优性能通过平衡目标SNR与用于AN的剩余功率实现。