[论文解读] Active Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 10

一句话总结

本文提出了一种主动可重构智能表面（RIS）设计，通过联合优化波束成形与反射系数，提升多天线系统的物理层安全性。通过有源反射单元对信号进行放大，该方案有效缓解了反射链路中的“双重衰落”效应，在RIS额外功耗极低的情况下，秘密速率相比无源RIS提升高达48%，并显著优于非RIS系统。

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) draws great attentions in academic and industry due to its passive and low power consumption nature, and has currently been used in physical layer security to enhance the secure transmission. However, due to the existence of double fading effect on the reflecting channel link between transmitter and user, RIS helps achieve limited secrecy performance gain compared with the case without RIS. In this correspondence, we propose a novel active RIS design to enhance the secure wireless transmission, where the reflecting elements in RIS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. To solve the non convex secrecy rate optimization based on this design, an efficient alternating optimization algorithm is proposed to jointly optimize the beamformer at transmitter and reflecting coefficient matrix at RIS. Simulation results show that with the aid of active RIS design, the impact of double fading effect can be effectively relieved, resulting in a significantly higher secrecy performance gain compared with existing solutions with passive RIS and without RIS design.

研究动机与目标

• 解决无源RIS辅助系统中因反射链路存在'双重衰落'效应而导致的秘密速率增益有限的问题。
• 设计一种有源RIS架构，实现相位偏移与信号放大的同步，以提升安全传输性能。
• 开发一种高效的交替优化算法，用于在非凸秘密速率约束下联合优化波束成形器与反射系数。
• 评估有源RIS在秘密速率与能量效率方面相较于无源RIS和非RIS系统的性能增益。

提出的方法

• 为有源RIS辅助的安全MISO系统提出一种新颖的信号模型，其中每个反射单元通过功率放大器同时调节相位与幅度。
• 将秘密速率最大化问题建模为一个涉及发射端波束成形向量与RIS端反射系数矩阵的非凸优化问题。
• 提出一种交替优化（AO）算法，通过迭代方式优化波束成形器与反射矩阵，并采用主问题-最小化（MM）子算法以高效更新RIS系数。
• 对RIS的总放大功率与各单元增益施加功率约束，其中后者是性能提升的主要约束因素。
• 采用基于惩罚的方法处理非凸性，并通过每次迭代的单调性改进确保收敛性。
• 通过100次信道实现的数值仿真，验证在不同发射功率、RIS规模与放大增益下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 有源RIS设计能否有效缓解有源RIS辅助安全传输系统中的'双重衰落'效应？
• RQ2 在相同系统条件下，有源RIS的秘密速率性能相较于无源RIS与非RIS系统如何？
• RQ3 有源RIS辅助安全通信中，RIS放大增益对秘密速率与能量效率有何影响？
• RQ4 高效的交替优化算法能否在非凸设置下联合优化波束成形与反射系数，以实现高秘密速率？
• RQ5 所提出的有源RIS设计是否能在提升合法用户性能的同时，保持对窃听者的低信息泄露？

主要发现

• 当放大增益设置为40 dB时，所提出的有源RIS设计相比无源RIS，秘密速率最高提升48%，显著优于无源RIS与非RIS基线系统。
• 在20 dB放大增益下，有源RIS相比无源RIS实现约13%的秘密速率增益，尽管总放大功率仅约4 dBm。
• 秘密速率随反射单元数量增加而提升；当单元数从10增加到60时，有源RIS相比无源RIS实现36%的性能增益。
• AO算法在4至8次迭代内收敛，而用于RIS系数优化的MM子算法仅需2至3次迭代即可收敛，确保了计算效率。
• RIS各单元增益的功率约束是性能提升的主要决定因素，而总功率约束通常处于非激活状态，表明增益控制比总功率预算更具关键性。
• 即使仅有10个反射单元与20 dB放大增益，有源RIS的秘密速率仍达9.0，超过使用60个单元的无源RIS所实现的8.6。