[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Assisted Secrecy Communication: Is Artificial Noise Helpful or Not?

Xinrong Guan, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 33

一句话总结

本论文研究在IRS辅助系统中人工噪声（AN）是否能提升保密速率，并提出一种交替优化算法，联合设计发射波束成形、AN和IRS反射波束成形。

ABSTRACT

In this letter, we investigate whether the use of artificial noise (AN) is helpful to enhance the secrecy rate of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted wireless communication system. Specifically, an IRS is deployed nearby a single-antenna receiver to assist in the transmission from a multi-antenna transmitter, in the presence of multiple single-antenna eavesdroppers. Aiming to maximize the achievable secrecy rate, a design problem for jointly optimizing transmit beamforming with AN or jamming and IRS reflect beamforming is formulated, which is however difficult to solve due to its non-convexity and coupled variables. We thus propose an efficient algorithm based on alternating optimization to solve the problem sub-optimally. Simulation results show that incorporating AN in transmit beamforming is beneficial under the new setup with IRS reflect beamforming. In particular, it is unveiled that the IRS-aided design without AN even performs worse than the AN-aided design without IRS as the number of eavesdroppers near the IRS increases.

研究动机与目标

• 评估人工噪声在IRS辅助保密通信中的必要性与效益。
• 为联合波束成形、干扰（AN）及IRS反射波束成形开发高效的近似优化算法。
• 量化AN有效性如何随发送功率、窃听者数量和IRS元件数量而变化。

提出的方法

• 建模一个具有M个天线的发射机（Alice）和一个单天线接收方（Bob），在一个具有N个元件的IRS（Rose）辅助传输，同时存在K个单天线窃听者（Eves）。
• 在总功率约束下，针对发射波束成形向量f1、AN干扰向量f2，以及IRS相位移向量v，建立保密速率最大化问题。
• 应用半正定松弛（SDR）来处理秩1约束，并使用交替优化框架在给定v时求解(F1,F2)，以及在给定(F1,F2)时求解v。
• 通过引理1使用变分界来凸化非凸目标，从而得到子问题(P1.1)-(P1.5)与(P2.1)-(P2.2)。
• 从SDR解中恢复波束成形向量，如有需要再应用高斯随机化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的保密通信中，是否包含人工噪声（AN）能带来保密速率的提升？
• RQ2 在哪些条件和系统配置下（窃听者数量、IRS元件数量、功率预算）AN最有利？
• RQ3 在有/无AN的情况下，应如何联合设计发射波束成形和IRS反射波束成形以最大化保密速率？
• RQ4 随着场景变化（如窃听者在近距离/远距离、较高的发送功率），带AN的IRS设计与无AN的IRS设计的性能对比如何？

主要发现

• 当发送功率较大或窃听者数量较多时，基于AN的设计可提升保密速率。
• 在IRS存在的情况下，在窃听者靠近IRS或Bob/窃听者与Rose近距离的困难场景中，AN可超越无AN的设计。
• 当窃听者靠近IRS时，增大IRS元件数量会降低AN的相对收益，但当窃听者距离较远时则不显著。
• 即使在IRS辅助的保密网络中，AN仍然有益，尤其是当K增大且来自波束成形的自由度不足时。
• 所提的交替优化算法能够有效获得联合设计的次优解。