[论文解读] Robust Transmission Design for Intelligent Reflecting Surface Aided Secure Communication Systems with Imperfect Cascaded CSI

Sheng Hong, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 35被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种针对智能反射表面（IRS）辅助安全通信系统中存在非完美级联信道状态信息（CSI）的鲁棒传输设计方案，通过联合优化波束成形、人工噪声（AN）协方差矩阵以及IRS相位移，最小化发射功率，同时满足中断率约束。利用伯恩斯坦型不等式与基于惩罚项的交替优化及半定松弛方法，该方案相比基准方案显著降低了发射功率，并增强了对CSI误差的鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the design of robust and secure transmission in intelligent reflecting surface (IRS) aided wireless communication systems. In particular, a multi-antenna access point (AP) communicates with a single-antenna legitimate receiver in the presence of multiple single-antenna eavesdroppers, where the artificial noise (AN) is transmitted to enhance the security performance. Besides, we assume that the cascaded AP-IRS-user channels are imperfect due to the channel estimation error. To minimize the transmit power, the beamforming vector at the transmitter, the AN covariance matrix, and the IRS phase shifts are jointly optimized subject to the outage rate probability constraints under the statistical cascaded channel state information (CSI) error model that usually models the channel estimation error. To handle the resulting non-convex optimization problem, we first approximate the outage rate probability constraints by using the Bernstein-type inequality. Then, we develop a suboptimal algorithm based on alternating optimization, the penalty-based and semidefinite relaxation methods. Simulation results reveal that the proposed scheme significantly reduces the transmit power compared to other benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助安全通信系统中因信道估计误差导致的非完美级联CSI问题，该问题会降低系统性能。
• 在统计CSI误差模型下，最小化发射功率，同时确保合法用户可靠的安全速率。
• 在中断概率约束下，联合优化发射波束成形、人工噪声（AN）协方差矩阵与IRS相位移。
• 设计一种在窃听者信道状态信息存在不确定性时仍保持有效性的鲁棒方案。
• 验证所提方法在发射功率效率与对CSI误差的鲁棒性方面优于基准方案。

提出的方法

• 建立一个机会约束优化问题（OC-PM），以在因非完美级联CSI导致的中断率约束下最小化发射功率。
• 应用伯恩斯坦型不等式（BTI）将非凸的机会约束近似为可处理的确定性等价形式。
• 采用交替优化（AO）框架，迭代优化波束成形向量、AN协方差矩阵与IRS相位移。
• 使用基于惩罚项的方法处理IRS相位移的非凸单位模约束。
• 应用半定松弛（SDR）将非凸子问题转化为凸问题，以实现高效求解。
• 引入统计CSI误差建模，以表征AP-IRS-用户级联信道中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当由于信道估计误差导致级联CSI不完美时，如何在IRS辅助安全系统中最小化发射功率？
• RQ2 统计CSI误差对IRS辅助物理层安全中的安全速率与功率效率有何影响？
• RQ3 在CSI不确定性下，波束成形、人工噪声与IRS相位移的联合优化如何提升安全性与鲁棒性？
• RQ4 利用窃听者CSI在多大程度上可提高功率效率并减少AN功率使用？
• RQ5 所提出的鲁棒设计在发射功率与对CSI误差的抗性方面，与基准方案相比表现如何？

主要发现

• 所提出的鲁棒传输设计方案相比基准方案显著降低了发射功率，尤其在CSI误差方差较高时效果更明显。
• 随着CSI误差方差增加，发射功率上升，但所提方法的增长速度更慢，鲁棒性优于随机MRT、优化MRT与随机IRS方案。
• 所提方法中AN功率占总发射功率的比例低于20%，而MRT方案中超过70%，表明其具有更高的干扰效率。
• IRS相位移的优化可有效对窃听者引入人工干扰，且所需AN功率更少，减少了资源浪费。
• 即使在窃听者CSI不完美时，所提方法仍能保持较强的保密性能，证明其对信道不确定性的鲁棒性。
• 仿真结果证实，在真实CSI误差条件下，波束成形、AN与IRS相位移的联合优化可实现显著的功率节省并提升安全性。