[论文解读] Robust and Secure Beamforming for Intelligent Reflecting Surface Aided mmWave MISO Systems

Xingbo Lu, Weiwei Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对智能反射面（IRS）辅助的毫米波MISO系统中存在多个单天线窃听者（Eves）及窃听信道信道状态信息（CSI）不完美情况下的鲁棒且安全的波束成形（RSBF）方案。通过使用离散波束宽度角（AoA）样本的加权组合来建模不确定的窃听信道，并结合交替优化与半定松弛（SDR）技术，该方案在功率和单位模约束下最大化最坏情况下的保密速率，即使在CSI不确定性下，其保密性能也优于基准方案。

ABSTRACT

In this letter, we investigate the robust and secure beamforming (RSBF) in an intelligent reflecting surface (IRS) aided millimeter wave (mmWave) multiple input single output (MISO) system, where multiple single antenna eavesdroppers (Eves) are arbitrarily distributed nearby the legitimate receiver. Considering the channel state information (CSI) of Eves' channels is imperfectly known at the legitimate transmitter, the RSBF design problems to maximize the worst case of achievable secrecy rate (ASR) are formulated under the total transmission power and unit-modulus constraints. Since the problems are difficult to solve optimally due to their nonconvexity and coupled variables, we substitute the wiretap channels by a weighted combination of discrete samples and propose a RSBF scheme based on alternating optimization and semidefinite relaxation (SDR) techniques, for both colluding and noncolluding eavesdropping scenarios. Simulation results show that the proposed RSBF scheme can effectively improve the ASR and also outperforms other benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助的毫米波MISO保密系统中窃听者CSI不完善的问题。
• 在已知窃听信道到达角（AoA）信息不完善的情况下，最大化最坏情况下的可实现保密速率（ASR）。
• 设计一种对窃听信道状态信息不确定性具有鲁棒性的波束成形方案。
• 在优化框架中同时考虑共谋与非共谋窃听场景。
• 通过交替优化与半定松弛（SDR）技术，设计一种次优但高效的算法。

提出的方法

• 使用离散AoA样本的加权组合来建模不确定的窃听信道，以表征CSI不确定性。
• 将鲁棒安全波束成形（RSBF）问题建模为一个非凸优化问题，目标是在总功率和单位模约束下最大化最坏情况下的ASR。
• 通过半定松弛（SDR）技术将非凸问题转化为凸形式，从而利用凸优化技术实现高效求解。
• 应用交替优化方法，迭代优化主动波束成形向量与IRS相位移。
• 使用高斯随机化方法，从松弛后的SDR问题中恢复秩一解。
• 以交替方式求解所得的凸子问题，分别针对共谋与非共谋窃听情况制定独立的公式。

实验结果

研究问题

• RQ1 当窃听者的CSI不完全已知时，如何在IRS辅助的毫米波MISO系统中设计鲁棒波束成形？
• RQ2 AoA不确定性对IRS辅助物理层安全系统中最坏情况可实现保密速率有何影响？
• RQ3 在CSI不确定性下，所提出的RSBF方案与MRT和基于平均值的波束成形等基准方案相比表现如何？
• RQ4 所提出的方案是否能在共谋与非共谋窃听场景下均保持高保密速率？
• RQ5 在实际CSI不确定性条件下，所提出的RSBF方案相较于现有方案在最坏情况ASR上的性能增益如何？

主要发现

• 与基准方案相比，所提出的RSBF方案显著提升了最坏情况下的可实现保密速率（ASR），尤其在AoA不确定性较高时表现更优。
• 基于MRT的方案ASR保持稳定，但随着AoA误差增大，性能显著下降，表明其对窃听CSI不确定性缺乏鲁棒性。
• 基于平均值的方案在AoA误差增大时ASR急剧下降，验证了所提RSBF方案在处理不确定性方面的优越性。
• 所提出的RSBF方案在所有发射功率水平下与完美CSI上界之间的差距均较小，证明了其鲁棒性。
• 在共谋窃听场景中，基于MRT的方案ASR在高功率下仍接近零，而所提出的RSBF方案实现了显著的保密速率增益。
• 即使在窃听者靠近且CSI不完善的情况下，所提方案仍能有效抑制信息泄露，证实其在实际IRS辅助安全毫米波系统中的有效性。