[论文解读] Intelligent Reflecting Surface (IRS)-Aided Covert Wireless Communication with Delay Constraint

Xiaobo Zhou, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 41被引用 12

一句话总结

本文提出了一种智能反射面（IRS）辅助的隐蔽通信系统，在延迟约束下提升了隐蔽性和频谱效率。通过联合优化发射功率与IRS反射系数——采用惩罚连续凸逼近（PSCA）算法及一种低复杂度的两阶段方法——即使在单天线发射机条件下也能实现完美的隐蔽性，显著优于传统无IRS系统。

ABSTRACT

This work examines the performance gain achieved by deploying an intelligent reflecting surface (IRS) in covert communications. To this end, we formulate the joint design of the transmit power and the IRS reflection coefficients by taking into account the communication covertness for the cases with global channel state information (CSI) and without a warden's instantaneous CSI. For the case of global CSI, we first prove that perfect covertness is achievable with the aid of the IRS even for a single-antenna transmitter, which is impossible without an IRS. Then, we develop a penalty successive convex approximation (PSCA) algorithm to tackle the design problem. Considering the high complexity of the PSCA algorithm, we further propose a low-complexity two-stage algorithm, where analytical expressions for the transmit power and the IRS's reflection coefficients are derived. For the case without the warden's instantaneous CSI, we first derive the covertness constraint analytically facilitating the optimal phase shift design. Then, we consider three hardware-related constraints on the IRS's reflection amplitudes and determine their optimal designs together with the optimal transmit power. Our examination shows that significant performance gain can be achieved by deploying an IRS into covert communications.

研究动机与目标

• 研究智能反射面（IRS）在延迟约束下如何提升无线通信的隐蔽性与可靠性。
• 解决当监管者可能或不可能拥有瞬时信道状态信息（CSI）时，维持隐蔽性的挑战。
• 设计低复杂度的传输策略，联合优化在实际硬件约束下的发射功率与IRS反射系数。
• 推导确保隐蔽性的最优相位偏移与功率分配的解析表达式，同时最大化通信速率。

提出的方法

• 在全局CSI下，建立联合优化发射功率与IRS反射系数的问题，以在确保隐蔽性的前提下最大化通信速率。
• 提出一种惩罚连续凸逼近（PSCA）算法，以求解全局CSI下的非凸优化问题。
• 提出一种低复杂度的两阶段算法，通过推导发射功率与IRS反射系数的闭式表达式，降低计算成本。
• 推导出监管者无瞬时CSI情况下的解析隐蔽性约束，从而实现最优相位偏移设计。
• 考虑IRS反射幅度的硬件约束（如恒定幅度、相位偏移限制），并确定其最优配置。
• 利用数学分析与凸优化技术，确保所提方案的可行性与收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRS是否能在单天线发射机条件下实现完美隐蔽性？若能，其条件是什么？
• RQ2 监管者缺乏瞬时CSI时，对实现隐蔽性的传输策略设计有何影响？
• RQ3 在满足隐蔽性与硬件约束的前提下，如何实现发射功率与IRS反射系数的最优联合设计以最大化通信速率？
• RQ4 如何设计低复杂度算法，在降低计算开销的同时实现近似最优性能？

主要发现

• 即使在单天线发射机条件下，IRS也能实现完美隐蔽性，而该性能在无IRS的相同设置下无法实现。
• 所提出的PSCA算法能有效求解全局CSI下的联合优化问题，确保高数据速率与隐蔽性。
• 低复杂度的两阶段算法通过推导的解析表达式，实现了近似最优性能，且计算复杂度显著降低。
• 解析隐蔽性约束使得在监管者缺乏瞬时CSI时，能够实现有效的相位偏移设计。
• IRS反射幅度的硬件约束被准确建模并优化，确保了实际可行性，同时不损害隐蔽性。
• 仿真结果证实，IRS的部署显著提升了隐蔽性与频谱效率。