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

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

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 8

一句话总结

本文提出了一种智能反射表面（IRS）辅助的隐蔽通信系统，在延迟约束下提升了传输的隐蔽性。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设计——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

• 解决在警觉的守卫（Willie）持续监控传输活动的情况下，实现可靠且隐蔽的无线通信的挑战。
• 克服传统隐蔽系统的基本局限性，即单天线发射机因缺乏信道控制能力而无法实现完美隐蔽性。
• 利用智能反射表面（IRS）定制无线传播环境，通过将信号波束导向合法接收者并最小化被Willie检测到的概率，从而增强隐蔽性。
• 设计低复杂度算法以实现实际部署，尤其在守卫缺乏瞬时信道状态信息（CSI）的情况下，满足IRS反射幅度的实际硬件约束。
• 确保系统在平均功率和延迟约束下维持隐蔽性，从而在真实场景中实现可靠的隐蔽传输。

提出的方法

• 在全局信道状态信息（CSI）下，建立发射功率与IRS反射系数的联合优化问题，证明即使在单天线发射机条件下，IRS也能实现完美隐蔽性。
• 提出一种惩罚连续凸逼近（PSCA）算法，用于求解全局CSI下的非凸优化问题，确保收敛至驻点解。
• 设计一种低复杂度的两阶段算法，推导出发射功率与IRS相位偏移的解析表达式，显著降低计算成本，同时保持优异性能。
• 在守卫缺乏Willie链路瞬时CSI的情况下，基于Willie接收信号功率的分布，推导出解析的隐蔽性约束，从而实现最优相位偏移设计。
• 引入IRS反射幅度的硬件约束（如幅度失配、相位量化），并联合优化发射功率与最优配置，以确保系统的实际可行性。
• 利用指数积分函数与渐近分析，将隐蔽性约束转化为可处理的形式，从而实现高效的优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射机仅具备单根天线时，智能反射表面（IRS）能否在隐蔽通信中实现完美隐蔽性？
• RQ2 如何通过联合设计发射功率与IRS反射系数，在延迟与隐蔽性约束下最大化隐蔽吞吐量？
• RQ3 当守卫无法获取Willie链路的瞬时CSI时，IRS的最优相位偏移配置是什么？
• RQ4 IRS反射幅度的硬件损伤如何影响系统的隐蔽性与性能？又该如何最优地缓解？
• RQ5 与传统无IRS系统相比，IRS在隐蔽通信系统中能带来多大的性能增益，特别是在可实现的隐蔽速率与检测中断概率方面？

主要发现

• 在部署IRS的情况下，单天线隐蔽系统可严格证明实现完美隐蔽性，而无IRS时由于缺乏信道控制能力，此目标无法达成。
• 所提出的PSCA算法可收敛至驻点解，显著提升系统在全局CSI下维持隐蔽性的能力。
• 低复杂度两阶段算法在计算负载大幅降低的同时，实现接近最优的性能，适用于实时部署。
• 在部分CSI条件下推导出的解析隐蔽性约束，可实现最优IRS相位偏移设计，确保Willie无法可靠检测到传输信号。
• IRS反射幅度的硬件约束被证明会影响隐蔽性，其最优配置已推导得出，可有效维持系统性能。
• 数值结果表明，与传统系统相比，IRS辅助的隐蔽通信在隐蔽速率与检测中断概率方面均实现了显著的性能增益。