[论文解读] Intelligent Reflecting Surface: A Programmable Wireless Environment for Physical Layer Security

Jie Chen, Ying‐Chang Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 29

一句话总结

本文提出一种智能反射表面（IRS），通过联合优化基站波束成形与IRS的反射系数，以增强下行MISO广播系统中的物理层安全性。该方法在实际约束条件下最大化最小保密速率，利用一种迭代算法实现收敛至局部最优解，显著提升了保密速率增益。

ABSTRACT

In this paper, we introduce an intelligent reflecting surface (IRS) to provide a programmable wireless environment for physical layer security. By adjusting the reflecting coefficients, the IRS can change the attenuation and scattering of the incident electromagnetic wave so that it can propagate in a desired way toward the intended receiver. Specifically, we consider a downlink multiple-input single-output (MISO) broadcast system where the base station (BS) transmits independent data streams to multiple legitimate receivers and keeps them secret from multiple eavesdroppers. By jointly optimizing the beamformers at the BS and reflecting coefficients at the IRS, we formulate a minimum-secrecy-rate maximization problem under various practical constraints on the reflecting coefficients. The constraints capture the scenarios of both continuous and discrete reflecting coefficients of the reflecting elements. Due to the non-convexity of the formulated problem, we propose an efficient algorithm based on the alternating optimization and the path-following algorithm to solve it in an iterative manner. Besides, we show that the proposed algorithm can converge to a local (global) optimum. Furthermore, we develop two suboptimal algorithms with some forms of closed-form solutions to reduce the computational complexity. Finally, the simulation results validate the advantages of the introduced IRS and the effectiveness of the proposed algorithms

研究动机与目标

• 为解决传统无线系统无法控制传播环境导致的安全性与性能较差的问题。
• 设计一种可编程无线环境，利用IRS被动重构信号反射，以提升保密速率。
• 在实际约束（连续与离散相移）下，联合优化基站波束成形器与IRS反射系数。
• 在确保信号对窃听者保密的同时，最大化多个合法用户之间的最小保密速率。
• 开发低复杂度的次优算法并获得闭式解，以支持实际部署。

提出的方法

• 在功率与反射系数约束下，建立非凸的最小保密速率最大化问题。
• 采用波束成形器与IRS相位偏移之间的交替优化，并结合路径跟踪算法以保证收敛。
• 通过保密速率的下界近似处理非凸性，从而实现迭代优化。
• 采用序列凸逼近方法求解波束成形与相位偏移优化的子问题。
• 推导出次优算法的闭式解，以降低计算复杂度。
• 证明所提算法收敛至KKT点，确保局部最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用智能反射表面提升多用户MISO系统中的物理层安全性？
• RQ2 如何实现波束成形与IRS反射系数的最优联合设计，以最大化最小保密速率？
• RQ3 实际约束（如离散相移）如何影响保密速率与系统设计？
• RQ4 能否为该非凸优化问题设计一种具有收敛性保证的迭代算法？
• RQ5 与传统系统相比，基于IRS的物理层安全系统在性能上有哪些增益？

主要发现

• 所提出的IRS系统相比无IRS的传统系统，显著提升了最小保密速率。
• 基于交替优化与路径跟踪的迭代算法收敛至局部（通常为全局）最优解。
• 具有闭式解的次优算法在计算复杂度显著降低的同时，实现了接近最优的保密速率。
• 在窃听信道较强的情况下，系统实现了显著的保密速率增益。
• 理论分析表明，最优IRS反射系数与目标用户信道方向对齐，从而增强波束成形增益。
• 证明了最优波束成形与IRS反射设计具有秩一结构，从而支持高效计算。