[论文解读] Secure Two-Way Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Lu Lv, Qingqing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的基于智能反射面（IRS）的两跳安全通信方案，以增强物理层安全性。通过利用一个用户信号作为人工干扰来降低窃听者接收质量，该方案通过用户调度与IRS波束成形实现显著的保密速率增益，其分析性量纲律表明保密速率随发射功率、IRS单元数及用户对数呈对数增长。

ABSTRACT

In this letter, we propose to exploit an intelligent reflecting surface (IRS) to secure multiuser two-way communications. Specifically, two end users simultaneously transmit their signals, where the signal of one user is exploited as information jamming to disrupt the reception of the other user's signal at an eavesdropper. A simple user scheduling scheme is developed to improve the secrecy rate. Analytical results in terms of a lower bound on the average secrecy rate and its scaling laws are derived to evaluate the secrecy performance and obtain valuable design insights. Simulation results are provided to confirm the accuracy of the theoretical analysis and validate the secrecy improvement of the proposed scheme over other baseline schemes.

研究动机与目标

• 解决现有研究中IRS辅助两跳通信缺乏物理层安全方案的问题，该问题在以往工作中尚未被探索。
• 设计一种安全传输框架，利用IRS上双向信号的叠加，使合法用户产生相长干涉，而窃听者产生相消干涉。
• 提出一种用户调度方案，以利用多用户分集增益，提升平均保密速率。
• 推导平均保密速率的可处理下限与量纲律，以指导系统设计并提供性能洞察。
• 通过理论分析与仿真验证所提方案相较于传统基准方案的保密性能增益。

提出的方法

• 提出一种两跳通信模型，其中两个终端用户通过IRS同时传输信号，且两者之间无直接链路。
• 利用一个用户信号作为信息干扰，以恶化窃听者的信道质量，同时使目标接收端能够实现自干扰消除。
• 设计一种用户调度方案，选择合法信道增益最强的用户对，以最大化保密速率。
• 基于统计信道状态信息，并利用大数量IRS单元下的复高斯分布近似，推导平均保密速率（ASR）的闭式下限。
• 采用渐近分析，推导ASR关于发射功率 $P$、IRS单元数 $K$ 以及用户对数 $N$ 的量纲律。
• 使用高级积分近似方法（高斯-切比雪夫求积与特殊函数）评估保密中断概率与保密速率表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用IRS反射的双向信号叠加，在不额外发送人工噪声的情况下提升物理层安全性？
• RQ2 在IRS辅助的两跳通信系统中，平均保密速率如何随发射功率、IRS尺寸及用户对数变化？
• RQ3 与传统的单向或非IRS基安全传输方案相比，所提方案的性能增益如何？
• RQ4 在两跳IRS辅助系统中，用户调度在利用多用户分集增益提升保密速率方面有多高效？
• RQ5 IRS辅助两跳通信中的保密性能基本极限是什么？如何通过理论方法进行表征？

主要发现

• 所提IRS辅助两跳通信方案通过利用一个用户信号作为干扰，实现了完美的传输安全性，其保密速率显著优于基准方案。
• 在高发射功率 $P$ 下，平均保密速率呈 $\log P$ 规律增长，表明功率增加可带来对数级性能提升。
• 保密速率随IRS反射单元数 $K$ 呈 $2\log K$ 规律增长，表明增大IRS aperture 可带来显著增益。
• 保密速率为 $\log\log N$ 的增长速率随用户对数 $N$ 增加，表明多用户分集可提供增量但具有实际意义的增益。
• 理论分析与仿真结果共同验证了所推导的平均保密速率下限的准确性，并在实际条件下验证了量纲律的有效性。
• 通过高级积分近似与特殊函数，推导出保密速率与中断概率的闭式表达式，实现了高效的性能评估。