[论文解读] Covert Transmission Assisted by Intelligent Reflecting Surface

Jiangbo Si, Zan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用 6

一句话总结

本文研究了在智能反射面（IRS）辅助系统中的隐蔽通信，其中爱丽丝向鲍勃传输信息而不被守卫威利检测到。该文提出联合优化爱丽丝的发射功率与IRS相位偏移，以在完美或非完美信道状态信息（CSI）条件下最大化隐蔽速率，揭示了当威利比鲍勃更靠近IRS时，IRS反而会降低性能。

ABSTRACT

Covert transmission is studied for an intelligent reflecting surface (IRS) aided communication system, where Alice aims to transmit messages to Bob without being detected by the warden Willie. Specifically, an IRS is used to increase the data rate at Bob under a covert constraint. For the considered model, when Alice is equipped with a single antenna, the transmission power at Alice and phase shifts at the IRS are jointly optimized to maximize the covert transmission rate with either instantaneous or partial channel state information (CSI) of Willie's link. In addition, when multiple antennas are deployed at Alice, we formulate a joint transmit beamforming and IRS phase shift optimization problem to maximize the covert transmission rate. One optimal algorithm and two low-complexity suboptimal algorithms are proposed to solve the problem. Furthermore, for the case of imperfect CSI of Willie's link, the optimization problem is reformulated by using the triangle and the Cauchy-Schwarz inequalities. The reformulated optimization problems are solved using an alterative algorithm, semidefinite relaxation (SDR) and Gaussian randomization techniques. Finally, simulations are performed to verify our analysis. The simulation results show that an IRS can degrade the covert transmission rate when Willie is closer to the IRS than Bob.

研究动机与目标

• 在爱丽丝向鲍勃传输信息而不被威利检测到的IRS辅助系统中实现隐蔽通信。
• 解决在威利处的隐蔽性约束下最大化隐蔽传输速率的挑战。
• 联合优化IRS相位偏移与爱丽丝的发射功率，同时考虑威利信道的完美与非完美CSI。
• 将框架扩展至多天线爱丽丝系统，联合优化波束成形与IRS相位偏移。
• 分析非完美CSI对隐蔽速率的影响，并提出鲁棒优化技术。

提出的方法

• 基于威利处的能量检测，建立在隐蔽性约束下最大化隐蔽传输速率的问题。
• 提出一种替代优化算法——半定松弛（SDR）与高斯随机化，以求解非完美CSI下的非凸问题。
• 应用三角不等式与柯西-施瓦茨不等式，在非完美CSI条件下重构优化问题。
• 基于中心极限定理，对大规模IRS元件下的威利处聚合干扰采用复高斯近似。
• 推导出威利处接收信号功率的概率密度函数（PDF）为指数分布，从而支持检测概率分析。
• 同时考虑单天线与多天线爱丽丝配置，联合优化波束成形与相位偏移。

Figure 1: Covert transmission with IRS assistance

实验结果

研究问题

• RQ1 IRS部署如何影响采用能量检测的威利的隐蔽传输速率？
• RQ2 在何种条件下IRS会改善或恶化隐蔽性能？
• RQ3 威利链路的非完美CSI如何影响可实现的隐蔽速率？
• RQ4 如何最优联合设计发射功率与IRS相位偏移以最大化隐蔽速率？
• RQ5 所提出的算法能否处理多个守卫或具备多天线爱丽丝的配置？

主要发现

• IRS并非总是提升隐蔽传输性能；当威利比鲍勃更靠近IRS时，性能反而下降。
• 威利链路的非完美CSI会降低隐蔽传输速率，其中对爱丽丝到威利链路的不确定性影响最为严重。
• IRS在威利处引入的干扰随反射元件数量增加而增强，限制了波束成形的优势。
• 所提出的优化框架在完美与非完美CSI条件下均实现了比基准方案更高的隐蔽速率。
• 仿真结果证实，随着鲍勃与IRS平面之间垂直距离的增加，隐蔽速率下降。
• 威利处接收信号功率的指数分布使得在所提信道模型下能够准确建模检测概率。

Figure 2: The simulation model.