[论文解读] Enhancing Secure MIMO Transmission via Intelligent Reflecting Surface

Limeng Dong, Hui‐Ming Wang|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 36被引用 4

一句话总结

该论文提出联合优化发射波束成形与智能反射面（IRS）相位移，以在存在与不存在窃听者信道状态信息（CSI）的情况下，最大化MIMO窃听信道的保密速率。该方法引入了基于障碍法和二分法的交替优化算法，并结合人工噪声技术，在完美CSI条件下相比基准方案实现了显著的保密速率增益。

ABSTRACT

In this paper, we consider an intelligent reflecting surface (IRS) assisted Guassian multiple-input multiple-output (MIMO) wiretap channel (WTC), and focus on enhancing its secrecy rate. Due to MIMO setting, all the existing solutions for enhancing the secrecy rate over multiple-input single-output WTC completely fall to this work. Furthermore, all the existing studies are simply based on an ideal assumption that full channel state information (CSI) of eavesdropper (Ev) is available. Therefore, we propose numerical solutions to enhance the secrecy rate of this channel under both full and no Ev's CSI cases. For the full CSI case, we propose a barrier method and one-by-one (OBO) optimization combined alternating optimization (AO) algorithm to jointly optimize the transmit covariance R at transmitter (Tx) and phase shift coefficient Q at IRS. For the case of no Ev's CSI, we develop an artificial noise (AN) aided joint transmission scheme to enhance the secrecy rate. In this scheme, a bisection search (BS) and OBO optimization combined AO algorithm is proposed to jointly optimize R and Q. Such scheme is also applied to enhance the secrecy rate under a special scenario in which the direct link between Tx and receiver/Ev is blocked due to obstacles. In particular, we propose a BS and minorization-maximization (MM) combined AO algorithm with slightly faster convergence to optimize R and Q for this scenario. Simulation results have validated the monotonic convergence of the proposed algorithms, and it is shown that the proposed algorithms for the IRS-assisted design achieve significantly larger secrecy rate than the other benchmark schemes under full CSI. When Ev's CSI is unknown, the secrecy performance of this channel also can be enhanced by the proposed AN aided scheme, and there is a trade-off between increasing the quality of service at Rx and enhancing the secrecy rate.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助系统中在窃听者CSI不完善或未知情况下的安全MIMO传输方案缺失问题。
• 克服现有基于MISO的保密设计无法扩展至MIMO场景的局限性。
• 在窃听者CSI完全已知或完全未知的情况下，开发用于最大化保密速率的鲁棒优化算法。
• 通过联合优化发射协方差矩阵与IRS相位移，结合人工噪声预编码，提升物理层安全性。
• 在直射链路被阻塞等挑战性场景下评估系统性能。

提出的方法

• 针对窃听者CSI完全已知的情况，提出在交替优化（AO）框架下结合障碍法与逐个优化（OBO）的优化方法。
• 针对无窃听者CSI的情况，提出一种结合人工噪声（AN）的联合传输方案，采用二分搜索与OBO优化的AO方法。
• 针对直射链路被阻塞的场景，采用二分搜索与小化最大化（MM）相结合的AO算法，以提升收敛速度。
• 通过矩阵分数函数逼近和替代函数处理IRS相位移优化问题中的非凸性。
• 利用引理4中的大化-最小化方法，构建非凸二次项的凸替代函数，用于相位移优化中的非凸项。
• 通过将波束成形向量的相位与等效信道梯度的共轭对齐，推导出相位移向量的闭式解。

实验结果

研究问题

• RQ1 当完全已知窃听者CSI时，如何在IRS辅助的MIMO窃听信道中最大化保密速率？
• RQ2 当窃听者CSI未知时，应采用何种有效方法提升保密速率？人工噪声应如何最优设计？
• RQ3 所提出的算法是否能实现单调收敛，并相比基准方案获得显著的保密速率增益？
• RQ4 当发射机与接收机/窃听者之间的直射链路被阻塞时，IRS辅助系统的性能如何变化？
• RQ5 在无窃听者CSI的情况下，如何权衡合法接收端的通信质量与保密速率提升之间的关系？

主要发现

• 所提出的障碍法结合OBO优化方法在完全已知窃听者CSI条件下实现了单调收敛，且在保密速率方面显著优于基准方案。
• 结合二分法与OBO优化的人工噪声辅助方案即使在窃听者CSI未知时也能提升保密速率，表现出对CSI不确定性具有强鲁棒性。
• 在直射链路被阻塞的场景下，结合二分法与MM的AO算法收敛速度优于标准的二分法-OBO方法。
• 仿真结果验证了所提算法保持了单调收敛，证实了优化框架理论设计的正确性。
• 在窃听者CSI未知的情况下，合法接收端的通信质量与保密速率提升之间存在权衡关系。
• 与传统方案相比，保密速率增益显著，尤其在高速移动或直射链路不可靠的遮挡环境中。