[论文解读] Secure Transmission Strategy for Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless System

Biqian Feng, Yongpeng Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种智能反射面（IRS）增强型无线系统中的安全传输策略，旨在最小化能量消耗的同时最大化物理层保密速率。针对秩一信道，分别设计了接入点（AP）的波束成形波束向量和IRS的相位移；针对全秩信道，采用基于特征值和半定规划/基于梯度的算法联合优化波束成形与相位移，实现了在瞬时信道状态信息（CSI）和统计CSI场景下低复杂度解法下的显著保密速率提升。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the design of secure transmission frameworks with an intelligent reflecting surface (IRS). Our design aims to minimize the system energy consumption in cases of rank-one and full-rank access point (AP)-IRS links. To facilitate the design, the problem is divided into two parts: design of beamforming vector at AP and phase shift at IRS. In the rank-one channel model, the beamforming vector design and phase shift design are independent. A closed-form expression of beamforming vector is derived. Meanwhile, some algorithms, including the semidefinite relaxation algorithm and projected gradient algorithm, are taken to solve the phase shift problem in the case of instantaneous channel, and in the statistical channel model, the impact of phase shift on the overall system is analyzed. However, since beamforming and phase shift depend on each other in the full-rank model, we refer to conventional wiretap model and utilize an eigenvalue-based algorithm to obtain beamforming vector, while the aforementioned two phase optimization schemes are also applied. Simulation results show that the IRS-enhanced system is envisioned to improve physical layer security.

研究动机与目标

• 在物理层安全约束下，最小化IRS增强型无线系统的系统能量消耗。
• 解决在秩一与全秩AP-IRS信道模型下，安全传输的联合波束成形与相位移优化问题。
• 在瞬时与统计信道状态信息（CSI）条件下，开发低复杂度且高效的波束成形与相位移设计算法。
• 评估IRS相位移在视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）场景下对保密性能的影响。
• 证明IRS部署可通过提升保密速率并降低窃听能力，增强物理层安全性。

提出的方法

• 将安全传输问题分解为两个阶段：在接入点（AP）进行波束成形向量设计，在智能反射面（IRS）进行相位移优化。
• 针对秩一AP-IRS信道，推导出闭式波束成形向量，并应用半定松弛（SDR）与投影梯度下降（PGD）算法优化相位移。
• 在统计CSI场景下，分析相位移对遍历保密速率的影响，无需瞬时CSI。
• 针对全秩信道，采用基于特征值的波束成形算法，并结合SDP与基于PGD的相位移优化，以处理波束成形与相位移之间的耦合设计问题。
• 采用单天线合法用户与窃听者均存在的高斯MISO窃听信道模型，并将IRS建模为具有相位调节器的无源波束成形器。
• 对全秩信道采用混合信道模型，结合LoS与NLoS分量，其中NLoS分量采用Rician衰落模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化波束成形与相位移，以在IRS增强系统中最小化能量消耗并确保安全传输？
• RQ2 在秩一与全秩AP-IRS信道条件下，IRS在提升物理层保密速率方面的性能增益如何？
• RQ3 在统计CSI场景下，IRS的相位移如何影响遍历保密速率？
• RQ4 在相位移优化中，SDP与PGD算法在计算复杂度与保密速率性能之间的权衡如何？
• RQ5 在秩一信道中，能否将波束成形与相位移解耦以降低系统复杂度而不牺牲保密性能？

主要发现

• 所提出的波束成形与相位移设计方案实现了显著的保密速率增益，尤其当合法用户靠近IRS而窃听者靠近AP时更为明显。
• 在秩一信道模型中，波束成形与相位移设计可解耦，从而实现闭式波束成形解与低复杂度相位移优化。
• 对于全秩信道，基于特征值的波束成形算法结合SDP/PGD相位移优化，可实现高性能保密速率。
• 仿真结果表明，SDP与PGD算法在保密速率性能上表现一致，但PGD收敛速度显著慢于SDP。
• 当合法用户远离IRS时，由于信号衰减，系统能耗随与AP距离增加而上升，但系统在AP距离达150米时仍能保持保密性。
• 由于采用各向同性信道建模，系统在IRS位置周围表现出对称的能耗模式，证实了IRS在平衡覆盖范围与安全性方面的作用。