[论文解读] Intelligent Reflecting Surface-Assisted Secret Key Generation In Multi-antenna Network

You Chen, Guyue Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在多天线（MISO）系统中利用智能反射面（IRS）辅助物理层秘密密钥生成方案，通过优化IRS无源波束成形以最大化秘密密钥速率。通过建模合法用户与窃听者之间的信道相关性，作者推导出秘密密钥速率的上界，并提出一种基于半定规划（SDR）与泰勒展开的算法，联合优化IRS相位偏移，显著优于基准方案的秘密密钥速率。

ABSTRACT

Physical-layer key generation (PKG) can generate symmetric keys between two communication ends based on the reciprocal uplink and downlink channels. By smartly reconfiguring the radio signal propagation, intelligent reflecting surface (IRS) is able to improve the secret key rate of PKG. However, existing works involving IRS-assisted PKG are concentrated in single-antenna wireless networks. So this paper investigates the problem of PKG in the IRS-assisted multiple-input single-output (MISO) system, which aims to maximize the secret key rate by optimally designing the IRS passive beamforming. First, we analyze the correlation between channel state information (CSI) of eavesdropper and legitimate ends and derive the expression of the upper bound of secret key rate under passive eavesdropping attack. Then, an optimal algorithm for designing IRS reflecting coefficients based on Semi-Definite Relaxation (SDR) and Taylor expansion is proposed to maximize the secret key rate. Numerical results show that our optimal IRS-assisted PKG scheme can achieve much higher secret key rate when compared with two benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决在多天线无线网络中IRS辅助物理层秘密密钥生成研究不足的问题。
• 建立并分析合法用户与窃听者之间信道相关性对秘密密钥速率的影响。
• 通过在MISO系统中联合优化IRS无源波束成形与发射波束成形，最大化秘密密钥速率的上界。
• 开发一种高效优化算法，以处理密钥速率最大化问题的非凸性质。

提出的方法

• 构建一个由L个无源反射单元组成的IRS的MISOSE（多输入单输出单窃听者）系统模型。
• 基于窃听者信道状态信息（CSI）与合法用户CSI之间的相关性，推导秘密密钥速率的上界。
• 将IRS反射系数建模为相位偏移，并制定一个非凸优化问题以最大化秘密密钥速率。
• 应用泰勒展开近似分数规划形式的目标函数，并利用半定规划（SDR）处理秩一约束。
• 使用凸优化技术迭代求解松弛后的优化问题。
• 通过采用实际路径损耗与瑞利衰落信道模型的仿真验证算法性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的MISO系统中，窃听者与合法用户之间的信道相关性如何影响秘密密钥速率的上界？
• RQ2 在信道相关性条件下，最优的IRS无源波束成形设计是什么，能够最大化秘密密钥速率？
• RQ3 IRS单元数与基站天线数如何影响秘密密钥速率与比特不一致率（BDR）？
• RQ4 所提出的优化算法在密钥速率与BDR方面是否优于随机相位偏移与非IRS方案？

主要发现

• 所提出的IRS辅助方案在秘密密钥速率方面显著优于基准方案（随机IRS相位偏移），尤其在IRS单元数增加时优势更明显。
• 随着IRS单元数L的增加，秘密密钥速率也随之提升，表明IRS作为密钥生成中的新型自由度具有重要价值。
• 窃听者与合法用户之间的信道相关性会降低秘密密钥速率，且随着L与M的增加，该降低效应更加显著。
• 由于合法通信双方之间的信道增益一致性得到改善，所提方案的比特不一致率（BDR）得以降低。
• 所提出的基于SDR与泰勒展开的算法能有效最大化秘密密钥速率，在仿真结果中优于随机相位偏移与非IRS方案。
• 通过信道相关性矩阵的特征值分解，以闭式形式推导出秘密密钥速率的上界，从而实现解析化优化。