[论文解读] OptM3Sec: Optimizing Multicast IRS-Aided Multiantenna DFRC Secrecy Channel with Multiple Eavesdroppers

Kumar Vijay Mishra, Arpan Chattopadhyay+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出OptM3Sec，一种在存在多个窃听者（EDs）的情况下，针对多播多天线双功能雷达-通信（DFRC）系统并增强智能反射表面（IRS）的物理层保密速率最大化框架。通过采用基于随机SPSA的算法联合优化发射预编码矩阵与IRS相位偏移，该方法在高发射功率及多ED条件下实现了显著的保密速率增益。

ABSTRACT

With the use of common signaling methods for dual-function radar-communications (DFRC) systems, the susceptibility of eavesdropping on messages aimed at legitimate users has worsened. For DFRC systems, the radar target may act as an eavesdropper (ED) that receives a high-energy signal thereby leading to additional challenges. Unlike prior works, we consider a multicast multi-antenna DFRC system with multiple EDs. We then propose a physical layer design approach to maximize the secrecy rate by installing intelligent reflecting surfaces in the radar channels. Our optimization of multiple ED multicast multi-antenna DFRC secrecy rate (OptM3Sec) approach solves this highly nonconvex problem with respect to the precoding matrices. Our numerical experiments demonstrate the feasibility of our algorithm in maximizing the secrecy rate in this DFRC setup.

研究动机与目标

• 解决多播多天线DFRC系统中因高发射功率导致雷达目标可能拦截通信信号而带来的窃听风险增加问题。
• 通过建模具有多个EDs的更真实场景，克服先前研究仅假设单个窃听者或单播传输的局限性。
• 通过利用智能反射表面（IRS）增强安全通信，同时在雷达目标处保持所需的信干噪比（SINR），最大化多播DFRC系统中的保密速率。
• 设计一种联合优化框架，用于发射预编码矩阵与IRS相位偏移，同时考虑合法用户和窃听者之间的直达路径与经IRS反射的间接路径。
• 通过引入功率约束和雷达目标的SINR要求，确保可行性与鲁棒性，即使在雷达目标作为窃听者时亦成立。

提出的方法

• 为包含多个EDs的多播多天线DFRC系统制定保密速率最大化问题，同时考虑直达路径与IRS反射信道。
• 将系统建模为MIMO雷达、多个多天线用户、具有N个无源反射单元的IRS，以及K个多天线窃听者。
• 将优化问题分解为三个子问题：合法用户的波束成形、针对EDs的人工噪声波束成形，以及IRS相位偏移优化。
• 采用两阶段迭代算法：首先优化数据与人工噪声的预编码矩阵（W和B），然后利用同时扰动随机逼近（SPSA）优化IRS相位偏移。
• 应用SPSA处理IRS相位偏移优化问题的非凸性，通过随机扰动与梯度近似，迭代更新相位偏移。
• 将相位偏移更新投影至[0, π]区间，以保持可行性，并在标准SPSA收敛条件下确保收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多个窃听者的存在如何影响多播多天线DFRC系统中的保密速率？
• RQ2 在具有多个EDs的DFRC系统中，智能反射表面（IRS）在多大程度上可提升保密速率？
• RQ3 与无IRS的系统相比，联合优化发射预编码与IRS相位偏移对保密速率性能有何影响？
• RQ4 在具有多个EDs的多播IRS辅助DFRC系统中，保密速率如何随发射功率增加而变化？
• RQ5 与无IRS或固定IRS相位的基线方案相比，所提出的OptM3Sec算法在保密速率方面带来了多大性能增益？

主要发现

• 所提出的OptM3Sec算法显著提升了具有多个窃听者的多播IRS辅助MIMO DFRC系统的保密速率，尤其在高发射功率条件下表现突出。
• 在仅存在一个窃听者的情况下，保密速率随发射功率增加而提升，且IRS的存在相比无IRS系统带来了显著性能增益。
• 当存在两个窃听者时，由于窃听能力增强，保密速率略有下降，但IRS相比非IRS基线系统仍能提供显著的速率提升。
• 基于SPSA的IRS相位偏移优化能有效处理问题的非凸性，并收敛至可行且高性能的解。
• 通过在发射波形中嵌入人工噪声，系统在雷达目标（作为EDs）处仍能维持所需的SINR，从而确保雷达功能与通信安全并存。
• 数值结果证实，联合预编码与相位偏移优化策略在实际DFRC部署中增强物理层保密性的可行性与有效性。