[论文解读] Secure Wireless Communication in RIS-Aided MISO Systems with Hardware Impairments

Gui Zhou, Cunhua Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在残留收发端硬件损伤条件下，针对可重构智能表面（RIS）辅助MISO系统的一种鲁棒波束成形设计方案，旨在最大化保密速率。通过使用交替优化（AO）结合连续凸逼近（SCA）与半定规划（SDP）联合优化基站处的主动波束成形和RIS处的被动波束成形，该方案相较于非鲁棒基准方案展现出更优的保密性能，尤其在高硬件损伤水平下优势更为显著。

ABSTRACT

In practice, residual transceiver hardware impairments inevitably lead to distortion noise which causes the performance loss. In this paper, we study the robust transmission design for a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided secure communication system in the presence of transceiver hardware impairments. We aim for maximizing the secrecy rate while ensuring the transmit power constraint on the active beamforming at the base station and the unit-modulus constraint on the passive beamforming at the RIS. To address this problem, we adopt the alternate optimization method to iteratively optimize one set of variables while keeping the other set fixed. Specifically, the successive convex approximation (SCA) method is used to solve the active beamforming optimization subproblem, while the passive beamforming is obtained by using the semidefinite program (SDP) method. Numerical results illustrate that the proposed transmission design scheme is more robust to the hardware impairments than the conventional non-robust scheme that ignores the impact of the hardware impairments.

研究动机与目标

• 解决由残留收发端硬件损伤引起的RIS辅助物理层安全性能下降问题。
• 在发射功率和单位模约束下，建立考虑硬件损伤引起的失真噪声的保密速率最大化问题。
• 提出一种联合优化基站主动波束成形与RIS被动波束成形的鲁棒传输设计方案。
• 确保该设计在真实硬件非理想条件下依然有效，而传统非鲁棒方案则不具备此特性。

提出的方法

• 采用交替优化（AO）方法，通过固定其中一个波束成形变量来迭代优化主动波束成形与被动波束成形。
• 利用连续凸逼近（SCA）将非凸的主动波束成形子问题转化为二阶锥规划（SOCP）问题。
• 通过松弛单位模约束，应用半定规划（SDP）求解被动波束成形子问题。
• 将硬件损伤引起的失真噪声建模为方差与信号功率成正比的加性高斯噪声。
• 将失真噪声模型整合进保密速率优化中，以确保方案的鲁棒性。
• 通过证明保密速率单调递增且目标函数有界，保证AO算法的收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 残留硬件损伤如何影响RIS辅助MISO系统中的保密速率？
• RQ2 鲁棒波束成形设计能否缓解RIS辅助安全系统中因硬件损伤导致的性能损失？
• RQ3 硬件损伤位置与严重程度（位于基站与用户端）如何影响系统的保密速率？
• RQ4 在存在硬件损伤的情况下，所提出的鲁棒设计相较于非鲁棒方案的性能增益如何？
• RQ5 在硬件损伤条件下，增加RIS反射单元数量对保密速率有何影响？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形方案显著优于非鲁棒设计，尤其在高硬件损伤水平下表现更优。
• 由于失真噪声随信号功率成比例增长，保密速率在发射功率增加到一定程度后趋于饱和。
• 合法用户端的硬件损伤对保密速率的负面影响大于基站端，原因在于接收端的相对噪声功率更高。
• 增加RIS反射单元数量可提升保密速率，但随着硬件损伤水平的提高，增益逐渐减小。
• RIS-鲁棒方案的保密性能优于NonRIS-鲁棒方案，证明了RIS与鲁棒设计相结合的协同增益。
• AO算法实现单调收敛，计算复杂度主要由SOCP（$\tfrac{1}{2}N^3$）和SDP（$\tfrac{1}{2}M^{3.5}$）子问题决定。