[논문 리뷰] Secure Transmission for Intelligent Reflecting Surface-Assisted mmWave and Terahertz Systems

Jingping Qiao, Mohamed‐Slim Alouini|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 하드웨어 제약 조건 하에서 기밀성 비율을 최대화하기 위해 지능형 반사 표면(IR)을 활용한 mmWave/THz 시스템에서 공동 전송 beamforming 및 이산 단계 이동 최적화를 제안한다. 질량이 1인 채널 모델 하에서, 닫힌 형식의 beamformer를 유도하고, SDP와 블록 좌표 강하를 사용하여 IRS의 단계 이동을 최적화함으로써, 도청자에 의한 차단이나 신호 가로채기 상황에서도 근사 최적의 기밀성 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This letter focuses on the secure transmission for an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) systems, in which a base station (BS) communicates with its destination via an IRS, in the presence of a passive eavesdropper. To maximize the system secrecy rate, the transmit beamforming at the BS and the reflecting matrix at the IRS are jointly optimized with transmit power and discrete phase-shift constraints. It is first proved that the beamforming design is independent of the phase shift design under the rank-one channel assumption. The formulated non-convex problem is then converted into two subproblems, which are solved alternatively. Specifically, the closed-form solution of transmit beamforming at the BS is derived, and the semidefinite programming (SDP)-based method and element-wise block coordinate descent (BCD)-based method are proposed to design the reflecting matrix. The complexity of our proposed methods is analyzed theoretically. Simulation results reveal that the proposed IRS-assisted secure strategy can significantly boost the secrecy rate performance, regardless of eavesdropper's locations (near or blocking the confidential beam).

연구 동기 및 목표

• 높은 경로 손실과 차단이 발생하는 고주파수 mmWave 및 THz 시스템에서 물리계층 보안 문제를 해결한다.
• 연속적 단계 이동 IRS 하드웨어의 한계를 극복하기 위해 이산 단계 이동을 갖춘 시스템을 설계한다.
• 수동 도청자가 신호를 가로채거나 차단할 수 있는 IR을 활용한 mmWave/THz 네트워크에서 시스템의 기밀성 비율을 최대화한다.
• 기지국의 공동 전송 beamforming과 IRS에서의 반사 beamforming을 위한 실용적이고 저복잡도 최적화 프레임워크를 개발한다.
• 빔 오차조절 또는 차단 상황에서도 IRS 및 기지국에서의 도청에 대비한 강건성을 확보한다.

제안 방법

• 전송 전력 및 이산 단계 이동 제약 조건이 있는 비볼록 기밀성 비율 최대화 문제를 수립한다.
• 질량이 1인 채널 가정 하에서, 전송 beamforming 설계가 IRS 단계 이동 설계와 독립적임을 증명한다.
• 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 하나는 닫힌 형식의 전송 beamforming을 위한 것이고, 다른 하나는 이산 단계 이동 최적화를 위한 것이다.
• 최적의 전력 할당 및 채널 지식을 사용하여 기지국의 전송 beamformer에 대한 닫힌 형식의 해를 도출한다.
• IRS 단계 이동 설계를 위한 두 가지 방법을 제안한다: 선형계획형 프로그래밍(SDP) 기반 접근법과 요소별 블록 좌표 강하(BCD) 기반 방법.
• 삼각함수 재구성 및 도함수 분석을 사용하여 BCD 하위문제를 해결하고, 역삼각함수를 통해 각 요소에 대해 유일한 최적 단계 이동을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IR을 활용한 mmWave/THz 시스템에서 전송 beamforming과 이산 단계 이동의 공동 최적화가 기밀성 비율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 전송 전력과 IRS 반사 요소 수가 증가함에 따라 기밀성 비율 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 도청자의 위치—IRS 근처 또는 기지국 근처—가 시스템 보안에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 제안된 방법이 실용적인 이산 단계 이동 하드웨어를 통해 근사 최적의 기밀성 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ5 도청자가 신호를 차단할 경우 기밀성 비율에 어떤 영향을 미치며, IRS 기반 beamforming이 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 완전 탐색 기준값과 매우 유사한 근사 최적의 기밀성 비율 성능를 달성하며, 기존의 전통적 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 기밀성 비율은 전송 전력 증가에 따라 단조적으로 증가하며, 높은 전송 전력일수록 더 높은 기밀성 비율을 달성한다.
• IRS 반사 요소 수를 10개에서 100개로 늘일 경우, 더 뚜렷한 빔포밍 이득으로 인해 기밀성 비율이 크게 향상된다.
• 특히 차단 상황에서 도청자가 IRS나 기지국 근처에 위치해 있어도 시스템은 높은 기밀성 비율을 유지한다.
• 이산 단계 이동 설계를 위한 SDP 기반 및 BCD 기반 방법은 관리 가능한 계산 복잡도로 높은 성능를 달성한다.
• 질량이 1인 채널 모델 하에서 beamforming 설계는 IRS 단계 이동과 독립적이며, 이는 효율적인 이중 단계 최적화를 가능하게 한다.