[论文解读] Securing NOMA Networks by Exploiting Intelligent Reflecting Surface

Zheng Zhang, Jian Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种分布式智能反射面（IRS）辅助的非正交多址接入（NOMA）网络，通过联合优化波束成形与IRS相位移，以增强物理层安全性。针对单天线基站，推导了保密中断概率（SOP）的闭式表达式，并提出了一种基于环形惩罚的 successive convex approximation（SCA）算法；针对多天线基站，利用伯恩斯坦型不等式将SOP约束凸化，从而在基准方案上实现了显著的保密速率增益。

ABSTRACT

This paper investigates the security enhancement of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) network, where a distributed IRS enabled NOMA transmission framework is proposed to serve users securely in the presence of a passive eavesdropper. Considering that eavesdropper's instantaneous channel state information (CSI) is challenging to acquire in practice, we utilize secrecy outage probability (SOP) as the security metric. A problem of maximizing the minimum secrecy rate among users, subject to the successive interference cancellation (SIC) decoding constraints and SOP constraints, by jointly optimizing transmit beamforming at the BS and phase shifts of IRSs, is formulated. For special case with a single-antenna BS, we derive the exact closed-form SOP expressions and propose a novel ring-penalty based successive convex approximation (SCA) algorithm to design power allocation and phase shifts jointly. While for the more general and challenging case with a multi-antenna BS, we adopt the Bernstein-type inequality to approximate the SOP constraints by a deterministic convex form. To proceed, an efficient alternating optimization (AO) algorithm is developed to solve the considered problem. Numerical results validate the advantages of the proposed algorithms over the baseline schemes. Particularly, two interesting phenomena on distributed IRS deployment are revealed: 1) the secrecy rate peak is achieved only when distributed IRSs share the reflecting elements equally; and 2) the distributed IRS deployment does not always outperform the centralized IRS deployment, due to the tradeoff between the number of IRSs and the reflecting elements equipped at each IRS.

研究动机与目标

• 在窃听者信道状态信息（CSI）不完美已知的条件下，提升NOMA网络的物理层安全性。
• 联合优化基站的波束成形与分布式IRS的相位移，以最大化保密速率。
• 解决IRS辅助NOMA系统中非凸SOP约束的挑战。
• 为单天线与多天线基站场景设计高效算法。
• 揭示分布式IRS部署在保密速率性能方面的基本设计权衡。

提出的方法

• 提出一种基于分布式IRS的NOMA传输框架，以提升安全性和频谱效率。
• 由于瞬时窃听者CSI不可用，采用保密中断概率（SOP）作为安全度量。
• 对于单天线基站，利用伽马分布随机变量之比的性质，推导出SOP的精确闭式表达式。
• 提出一种基于环形惩罚的连续凸逼近（SCA）算法，以联合优化功率分配与IRS相位移。
• 对于多天线基站，应用伯恩斯坦型不等式，将非凸SOP约束近似为确定性凸形式。
• 设计一种交替优化（AO）算法，在凸化约束下迭代优化波束成形与相位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式IRS部署如何影响NOMA网络中的保密速率性能？
• RQ2 如何最优分配多个IRS之间的反射单元，以最大化保密速率？
• RQ3 增加IRS数量是否总是能提升NOMA系统的安全性？
• RQ4 在SOP约束下，如何联合优化波束成形与IRS相位移？
• RQ5 在保密速率方面，IRS部署密度与单个IRS尺寸之间存在何种权衡？

主要发现

• 只有当分布式IRS平均分配反射单元时，保密速率才能达到峰值，表明存在最优负载均衡条件。
• 由于IRS数量与每个IRS的反射单元数之间存在权衡，分布式IRS部署并不总优于集中式部署。
• 所提出的环形惩罚SCA算法在单天线基站场景下，相比基准方案实现了更优的保密速率性能。
• 结合伯恩斯坦型近似的AO算法，能有效处理多天线基站场景下的非凸SOP约束。
• 数值结果证实，所提出的联合优化框架显著提升了保密速率，并满足SOP约束。
• 假设窃听者具备SIC能力（最坏情况），可带来更具鲁棒性和实用性的保密速率设计。