[论文解读] IRS-based Wireless Jamming Attacks: When Jammers can Attack without Power

Bin Lyu, Dinh Thai Hoang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新型的IRS辅助干扰攻击，利用智能反射面（IRS）在不消耗内部能量的情况下，通过有相位和振幅控制的反射，对合法无线通信造成破坏性相消干涉。通过联合优化反射系数和相移，IRS可将合法发射机的信号定向反射，使合法接收机接收到的信号功率最小化，实现高达99%的信号功率衰减，并在某些场景下优于传统主动干扰。

ABSTRACT

This paper proposes to use Intelligent Reflecting Surface (IRS) as a green jammer to attack a legitimate communication without using any internal energy to generate jamming signals. In particular, the IRS is used to intelligently reflect the signals from the legitimate transmitter to the legitimate receiver (LR) to guarantee that the received signals from direct and reflecting links can be added destructively, which thus diminishes the Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) at the LR. To minimize the received signal power at the LR, we consider the joint optimization of magnitudes of reflection coefficients and discrete phase shifts at the IRS. Based on the block coordinate descent, semidefinite relaxation, and Gaussian randomization techniques, the solution can be obtained efficiently. Through simulation results, we show that by using the IRS-based jammer, we can reduce the signal power received at the LR by up to 99\%. Interestingly, the performance of the proposed IRS-based jammer is even better than that of the conventional active jamming attacks in some scenarios.

研究动机与目标

• 研究利用智能反射面（IRS）作为无线网络中被动、无能耗干扰器的可行性。
• 解决尽管IRS在提升网络性能方面应用日益广泛，但其作为恶意干扰源的研究仍显不足的问题。
• 设计一种利用现有合法信号而非生成新干扰信号的干扰策略。
• 通过优化反射系数和相移，使合法接收机接收到的信号功率最小化。
• 与传统主动干扰攻击进行性能对比，证明在某些场景下被动IRS干扰优于主动方法。

提出的方法

• 利用IRS将合法发射机（LT）的信号反射至合法接收机（LR），通过控制反射系数和相移实现信号调控。
• 建立联合优化问题，通过调节反射信号的幅度和相位，最小化LR端的总接收信号功率。
• 采用块坐标下降（BCD）方法，交替优化反射系数的幅度和离散相移。
• 针对相移的连续松弛问题，采用半定规划松弛（SDR）与高斯随机化方法，获得近似最优解。
• 通过量化连续解获得离散相移，确保实际可实施性。
• 通过迭代方式求解优化问题，使用CVX工具高效求解子问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRS能否作为被动、无能耗干扰器，在不生成自身干扰信号的前提下，破坏合法无线通信？
• RQ2 在SINR退化方面，基于IRS的干扰性能与传统主动干扰攻击相比如何？
• RQ3 IRS尺寸（反射单元数量）对干扰攻击效果有何影响？
• RQ4 LT、IRS与LR之间的距离如何影响干扰性能？
• RQ5 在缺乏内部发射功率的前提下，何种条件下被动IRS干扰可优于主动干扰？

主要发现

• 所提出的基于IRS的干扰器通过直射路径与反射路径之间的破坏性相消干涉，使合法接收机的接收信号功率降低高达99%。
• 在主动干扰功率较低（如15 dBm）的场景下，由于相位与幅度控制更加精确，IRS干扰器性能优于主动干扰。
• 当IRS反射单元数量达到200时，其干扰性能超越了35 dBm发射功率的主动干扰。
• 当LT与IRS之间距离超过7米时，由于IRS处信号强度下降，攻击性能显著下降。
• 当LR距离IRS在8米以内时，所提方案实现的SINR退化程度与35 dBm功率的主动干扰相当。