[论文解读] Secure Transmission for Intelligent Reflecting Surface-Assisted mmWave and Terahertz Systems

Jingping Qiao, Mohamed‐Slim Alouini|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种智能反射表面（IRS）辅助的毫米波/太赫兹系统中联合发射波束成形与离散相移优化方法，旨在在硬件受限条件下最大化保密速率。在秩一信道模型下，推导出闭式波束成形器，并采用半定规划（SDP）与块坐标下降法（BCD）优化IRS相移，即使在窃听者阻塞或拦截信号的情况下，也能实现接近最优的保密性能。

ABSTRACT

This letter focuses on the secure transmission for an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) systems, in which a base station (BS) communicates with its destination via an IRS, in the presence of a passive eavesdropper. To maximize the system secrecy rate, the transmit beamforming at the BS and the reflecting matrix at the IRS are jointly optimized with transmit power and discrete phase-shift constraints. It is first proved that the beamforming design is independent of the phase shift design under the rank-one channel assumption. The formulated non-convex problem is then converted into two subproblems, which are solved alternatively. Specifically, the closed-form solution of transmit beamforming at the BS is derived, and the semidefinite programming (SDP)-based method and element-wise block coordinate descent (BCD)-based method are proposed to design the reflecting matrix. The complexity of our proposed methods is analyzed theoretically. Simulation results reveal that the proposed IRS-assisted secure strategy can significantly boost the secrecy rate performance, regardless of eavesdropper's locations (near or blocking the confidential beam).

研究动机与目标

• 解决高频段毫米波与太赫兹系统中的物理层安全挑战，这些系统面临高路径损耗与信号阻塞问题。
• 通过设计具有离散相移的系统，克服连续相移IRS硬件的局限性。
• 在被动窃听者可能拦截或阻塞信号的IRS辅助毫米波/太赫兹网络中，最大化系统保密速率。
• 为基站的联合发射波束成形与IRS的反射波束成形，开发一种实用且低复杂度的优化框架。
• 确保在波束失准或阻塞条件下，对IRS与基站处的窃听行为具备鲁棒性。

提出的方法

• 建立一个具有发射功率与离散相移约束的非凸保密速率最大化问题。
• 证明在秩一信道假设下，发射波束成形设计与IRS相移设计相互独立。
• 将问题分解为两个子问题：一个用于闭式发射波束成形，另一个用于离散相移优化。
• 利用最优功率分配与信道信息，推导出基站发射波束成形器的闭式解。
• 提出两种IRS相移设计方法：基于半定规划（SDP）的方法与基于逐元素块坐标下降（BCD）的方法。
• 通过三角函数重构与导数分析求解BCD子问题，利用反三角函数推导出每个单元的唯一最优相移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的毫米波/太赫兹系统中，联合优化发射波束成形与离散相移是否能显著提升保密速率？
• RQ2 保密速率性能如何随发射功率与IRS反射单元数量变化？
• RQ3 窃听者位置（靠近IRS或靠近基站）对系统安全性有何影响？
• RQ4 所提方法能否在实际离散相移硬件条件下实现接近最优的保密性能？
• RQ5 窃听者对信号的阻塞如何影响保密速率？IRS波束成形能否缓解此影响？

主要发现

• 所提方法实现了接近最优的保密速率性能，与穷举搜索基准非常接近，并优于传统方案。
• 保密速率随发射功率单调增加，更高的发射功率带来更高的保密速率。
• 当IRS反射单元数从10增加到100时，保密速率显著提升，归因于更尖锐的波束成形增益。
• 即使窃听者位于IRS或基站附近，系统仍能保持高保密速率，尤其在阻塞条件下表现更优。
• 基于SDP与基于BCD的离散相移设计方法在计算复杂度可控的前提下实现了高性能。
• 在秩一信道模型下，波束成形设计与IRS相移相互独立，支持高效的两阶段优化。