[论文解读] Secure Wireless Communication via Intelligent Reflecting Surface

Miao Cui, Guangchi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 327

一句话总结

该论文研究在IRS辅助的安全无线系统中，多天线AP与IRS协同通过交替优化与SDR技术联合设计AP发射波束成形和IRS反射波束成形，在对抗单天线偷听者的情况下最大化保密速率。

ABSTRACT

An intelligent reflecting surface (IRS) can adaptively adjust the phase shifts of its reflecting units to strengthen the desired signal and/or suppress the undesired signal. In this letter, we investigate an IRS-aided secure wireless communication system where a multi-antenna access point (AP) sends confidential messages to a single-antenna user in the presence of a single-antenna eavesdropper. In particular, we consider the challenging scenario where the eavesdropping channel is stronger than the legitimate communication channel and they are also highly correlated in space. We maximize the secrecy rate of the legitimate communication link by jointly designing the AP's transmit beamforming and the IRS's reflect beamforming. While the resultant optimization problem is difficult to solve, we propose an efficient algorithm to obtain high-quality suboptimal solution for it by applying the alternating optimization and semidefinite relaxation methods. Simulation results show that the proposed design significantly improves the secrecy communication rate for the considered setup over the case without using the IRS, and outperforms a heuristic scheme.

研究动机与目标

• 通过利用智能反射表面（IRS）来推动并实现安全无线通信。
• 通过联合主动（AP）和被动（IRS）波束成形，建立并最大化AP到用户链路的保密速率，在存在窃听者的情况下。
• 开发基于交替优化和SDR的高效次优算法来求解非凸问题。
• 通过仿真展示IRS辅助设计相较无IRS和启发式方案的性能提升。

提出的方法

• 模型一个MISO AP在存在单天线窃听者的情况下与单天线用户通信，IRS具有N个元素进行辅助。
• 联合优化AP发射波束成形 w 和IRS反射波束成形 q，以在功率和单位模约束下最大化保密速率 R_sec = [R_U − R_E]^+。
• 将关于 w 的子问题转化为广义特征向量问题，使用 (B+I/P_AP)^{-1}(A+I/P_AP) 的最大特征值得到闭式解。
• 通过 s = [q^T, 1]^T 表达IRS相关项，并对得到的分式目标应用 SDR 来放宽秩约束；使用 Charnes-Cooper 变换求解 SDP。
• 在求解 QoS-like 子问题时，当从 SDR 解中求解得到可行的 q 时，应用高斯随机化以恢复一个可行解。
• 在优化 w 和 q 之间迭代，直到收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 当窃听者通道更强且与合法通道空间相关时，IRS 能否提升保密速率？
• RQ2 联合主动（AP）和被动（IRS）波束成形在没有IRS或启发式AP-MRT配合IRS设计时能带来哪些增益？
• RQ3 如何将交替优化和 SDR 应用于在IRS辅助网络中联合设计发射和反射波束以实现物理层安全？
• RQ4 所提交替优化算法的收敛行为和计算复杂度如何？

主要发现

• IRS辅助设计显著提高相较于无IRS的保密速率。
• AP发射波束成形和IRS反射波束成形的联合优化接近保密性能的上界，并优于启发式AP-MRT-with-IRS方案。
• 在更高的AP发射功率和更大尺寸的IRS N时，保密速率提升。
• 所提算法收敛，且其复杂度随 O(N_ite(M^3 + (N+1)^{3.5})) 的尺度变化。
• 仿真显示有建设性的IRS相位调优能提升合法接收端的用户信号，同时抑制窃听者的接收。