[论文解读] Secrecy Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-Antenna Communications

Hong Shen, Wei Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用 19

一句话总结

本文提出一种交替优化算法，通过联合设计源端发射协方差矩阵与智能反射面（IRS）相位移，以最大化智能反射面（IRS）辅助多天线系统中的保密速率。该方法获得闭式解与半闭式解，确保收敛性，并显著提升物理层安全性能，优于传统设计。

ABSTRACT

We investigate transmission optimization for intelligent reflecting surface (IRS) assisted multi-antenna systems from the physical-layer security perspective. The design goal is to maximize the system secrecy rate subject to the source transmit power constraint and the unit modulus constraints imposed on phase shifts at the IRS. To solve this complicated non-convex problem, we develop an efficient alternating algorithm where the solutions to the transmit covariance of the source and the phase shift matrix of the IRS are achieved in closed form and semi-closed forms, respectively. The convergence of the proposed algorithm is guaranteed theoretically. Simulations results validate the performance advantage of the proposed optimized design.

研究动机与目标

• 解决IRS辅助多天线系统中物理层安全优化的不足问题。
• 在发射功率与单位模相位移约束下，最大化保密速率。
• 设计一种高效算法，联合优化源端发射协方差矩阵与IRS相位移矩阵。
• 确保所提出的交替算法具有理论收敛性。

提出的方法

• 提出一种交替算法，固定一个变量的同时优化另一个变量。
• 利用拉格朗日对偶与特征分解，推导出源端发射协方差的闭式解。
• 通过基于二分搜索的半闭式解法，结合紧致边界技术，优化相位移矩阵。
• 通过交替更新迭代提升保密速率，确保算法收敛。
• 将方法扩展至窃听者具有多根天线的情况。
• 通过凸松弛与非凸约束的紧致近似，避免穷举搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际硬件约束下，如何在IRS辅助多天线系统中最大化保密速率？
• RQ2 如何实现发射波束成形与IRS相位移的最优联合设计，以增强物理层安全性？
• RQ3 能否为该非凸保密速率最大化问题设计一种低复杂度且保证收敛的算法？
• RQ4 性能如何随IRS尺寸、用户距离与窃听者配置变化而变化？

主要发现

• 所提算法在传统方案基础上实现显著的保密速率增益，尤其当合法用户靠近IRS时更为明显。
• 当合法接收机靠近IRS时，保密速率随IRS元素数量增加而提升，归因于更强的相位阵列增益。
• 随着窃听者天线数量增加，性能下降，因Eve的可达速率随之上升。
• 在小规模IRS场景下，所提方法的保密速率几乎与网格搜索最优解一致。
• 算法收敛稳定，且提供了收敛性的理论证明。
• 在保密速率优化中，速率最大化中观察到的平方增益效应不复存在，因设计需在合法用户与窃听者信道之间实现平衡。