[论文解读] Robust and Secure Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Xianghao Yu, Dongfang Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 49被引用 28

一句话总结

本文提出了一种鲁棒且安全的无线通信框架，利用智能反射面（IRSs）在存在非视 Line-of-sight 链接和不完美信道状态信息（CSI）的多用户、多窃听者场景下增强物理层安全性。通过采用交替优化和连续凸逼近法联合优化波束成形、人工噪声协方差以及IRS相位移，系统相较于传统无IRS系统实现了显著的保密速率增益。

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surfaces (IRSs) are employed to enhance the physical layer security in a challenging radio environment. In particular, a multi-antenna access point (AP) has to serve multiple single-antenna legitimate users, which do not have line-of-sight communication links, in the presence of multiple multi-antenna potential eavesdroppers whose channel state information (CSI) is not perfectly known. Artificial noise (AN) is transmitted from the AP to deliberately impair the eavesdropping channels for security provisioning. We investigate the joint design of the beamformers and AN covariance matrix at the AP and the phase shifters at the IRSs for maximization of the system sum-rate while limiting the maximum information leakage to the potential eavesdroppers. To this end, we formulate a robust nonconvex optimization problem taking into account the impact of the imperfect CSI of the eavesdropping channels. To address the non-convexity of the optimization problem, an efficient algorithm is developed by capitalizing on alternating optimization, a penalty-based approach, successive convex approximation, and semidefinite relaxation. Simulation results show that IRSs can significantly improve the system secrecy performance compared to conventional architectures without IRS. Furthermore, our results unveil that, for physical layer security, uniformly distributing the reflecting elements among multiple IRSs is preferable over deploying them at a single IRS.

研究动机与目标

• 解决多用户、多窃听者无线网络中存在非视 Line-of-sight 链接和不完美信道状态信息（CSI）时的物理层安全挑战。
• 克服传统安全通信方法依赖主动中继或干扰所带来的高硬件和能耗成本的局限性。
• 利用被动智能反射面（IRSs）以低成本和低能耗重塑无线传播环境。
• 在限制多天线窃听者通过不完美CSI获取信息泄露的前提下，最大化系统和速率并确保保密性。
• 开发一种高效算法，用于在非凸约束下联合优化发射波束成形器、人工噪声协方差和IRS相位移。

提出的方法

• 建立一个鲁棒的非凸优化问题，以在保密速率约束下最大化和速率，同时考虑窃听者不完美的CSI。
• 采用交替优化方法将联合设计分解为波束成形器、人工噪声和IRS相位移的子问题。
• 应用连续凸逼近（SCA）处理波束成形和人工噪声设计子问题中的非凸性。
• 使用半定规划松弛（SDR）和基于惩罚的方法处理IRS相位移的单位模约束。
• 引入一种惩罚方法以强制执行有效信道协方差矩阵的秩一约束，确保收敛到可行解。
• 提出一种构造性方法，从松弛的SDR问题中恢复秩一解，确保最终IRS相位移设计的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化智能反射面（IRSs）与发射波束成形和人工噪声，以在多用户、多窃听者网络中提升物理层安全性？
• RQ2 不完美的窃听者CSI对IRS辅助系统保密性能有何影响，如何确保鲁棒性？
• RQ3 将反射单元分布在多个IRS上是否优于集中于单个IRS，从而在保密速率和安全鲁棒性方面表现更优？
• RQ4 由波束成形、人工噪声和IRS相位移联合设计引发的非凸优化问题能否以收敛性保证的方式高效求解？
• RQ5 在具有挑战性的传播环境中，IRS辅助安全通信相较于无IRS的传统系统性能增益如何？

主要发现

• 与传统无IRS系统相比，IRS显著提升了系统的保密性能，尤其在非视 Line-of-sight 环境下表现突出。
• 所提出的算法收敛至高保密速率的可行解，表现出对不完美窃听者CSI的鲁棒性。
• 将反射单元分布在多个IRS上相比集中于单个IRS能获得更好的保密性能，归因于增强的空间分集增益。
• 联合优化波束成形、人工噪声和IRS相位移在保持对窃听者低信息泄露的同时实现了更高的和速率。
• 仿真结果证实，基于惩罚的SCA和基于SDR的方法能有效处理IRS的非凸单位模约束。
• 理论分析证明，迭代算法的极限点满足秩一约束，从而确保解的可行性和收敛至最优解。