[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Secure Transmission: Outage-Constrained Energy-Efficiency Maximization.

Zongze Li, Shuai Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种新颖的能量效率安全传输方案，利用可重构智能表面（RIS）在窃听信道状态信息不完美条件下的应用。通过将概率约束转化为确定性等价形式并解耦变量，采用交替差几何规划与半定松弛方法优化相位偏移、功率分配和传输速率，实现了高能量效率。一种低复杂度的一阶算法将计算时间减少了两个数量级，同时保持性能不变，显著优于随机、固定和忽略信道状态信息的RIS方案。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has the potential to significantly enhance the network secure transmission performance by reconfiguring the wireless propagation environment. However, due to the passive nature of eavesdroppers and the cascaded channel brought by the RIS, the eavesdroppers' channel state information is imperfectly obtained at the base station. Under the channel uncertainty, the optimal phase-shift, power allocation, and transmission rate design for secure transmission is currently unknown due to the difficulty of handling the probabilistic constraint with coupled variables. To fill this gap, this paper formulates a problem of energy-efficient secure transmission design while incorporating the probabilistic constraint. By transforming the probabilistic constraint and decoupling variables, the secure energy efficiency maximization problem can be solved via alternatively executing difference-of-convex programming and semidefinite relaxation technique. To scale the solution to massive antennas and reflecting elements scenario, a fast first-order algorithm with low complexity is further proposed. Simulation results show that the proposed first-order algorithm achieves identical performance to the conventional method but saves at least two orders of magnitude in computation time. Moreover, the resultant RIS aided secure transmission significantly improves the energy efficiency compared to baseline schemes of random phase-shift, fixed phase-shift, and RIS ignoring CSI uncertainty.

研究动机与目标

• 解决在窃听信道状态信息不完美且不确定的RIS辅助网络中的安全传输挑战。
• 在因信道不确定性导致的概率服务质量约束下，制定安全能量效率最大化问题。
• 设计RIS相位偏移、功率分配和传输速率的联合优化，以在不完美信道状态信息下最大化能量效率。
• 开发一种可扩展的、低复杂度的一阶算法，适用于大规模MIMO和大规模RIS部署场景。
• 评估所提方案相对于基准方案（如随机相位偏移、固定相位偏移以及忽略CSI不确定性的RIS方案）的性能增益。

提出的方法

• 使用凸近似技术将概率约束转化为确定性等价形式，以处理信道不确定性。
• 通过交替优化相位偏移、功率分配和传输速率，对优化问题中的耦合变量进行解耦。
• 应用差几何（DC）规划处理相位偏移优化子问题中的非凸性。
• 使用半定松弛（SDR）近似非凸子问题，获得近似最优解。
• 设计一种快速的一阶算法，计算复杂度低，可扩展至大规模天线和反射单元场景。
• 通过序列凸逼近方法迭代求解子问题，确保收敛性和可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在窃听信道状态信息不完美的条件下，如何在RIS辅助安全传输中最大化能量效率？
• RQ2 在概率保密中断约束下，相位偏移、功率分配和传输速率的最优联合设计是什么？
• RQ3 如何有效解耦并求解具有概率约束的耦合非凸优化问题？
• RQ4 低复杂度的一阶算法能否在保持与高复杂度方法相当性能的同时，实现大规模系统的可扩展性？
• RQ5 与基准RIS配置（如随机或固定相位偏移）相比，所提方案能带来多大的性能增益？

主要发现

• 所提一阶算法在性能上与传统方法完全一致，但计算时间至少减少两个数量级。
• RIS辅助的安全传输方案相比基准方案（包括随机相位偏移、固定相位偏移以及忽略CSI不确定性的RIS）显著提升了能量效率。
• 在概率约束下对相位偏移、功率分配和传输速率进行联合优化，可显著提升安全能量效率。
• 概率约束的转化与变量解耦使得对非凸耦合优化问题的有效处理成为可能。
• 所提方法在大规模场景（如大规模阵列和反射单元）下仍能保持高性能。
• DC规划与半定松弛的结合，即使在问题具有强非凸性的情况下，也能实现高质量解的收敛。