[论文解读] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO: Active Attacks and Passive Eavesdropping.

Gui Zhou, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 13

一句话总结

本文提出了一种由智能反射面（IRS）辅助的用户协作方案，以在瑞利衰落信道中增强物理层安全性能，应对主动攻击和被动窃听。通过利用统计信道误差下的波束成形以及一种低复杂度的保密速率最大化算法，系统实现了更高的安全性，数值结果表明，窃听者信道误差的影响比合法用户信道误差更具破坏性。

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surface (IRS) is proposed to enhance the physical layer security in the Rician fading channel where the angular direction of the eavesdropper is aligned with a legitimate user. In this scenario, we consider a two-phase communication system under the active attacks and passive eavesdropping. Particularly, in the first phase, the base station avoids direct transmission to the attacked user. While, in the second phase, other users cooperate to forward signals to the attacked user with the help of IRS and energy harvesting technology. Under the active attacks, we investigate an outage constrained beamforming design problem under the statistical cascaded channel error model, which is solved by using the Bernstein-type inequality. As for the passive eavesdropping, an average secrecy rate maximization problem is formulated, which is addressed by a low complexity algorithm. Numerical results show that the negative effect of the eavesdropper's channel error is greater than that of the legitimate user.

研究动机与目标

• 解决瑞利衰落信道中窃听者角度方向与合法用户对齐时的物理层安全挑战。
• 减轻针对特定用户的主动攻击对传输的影响。
• 通过利用用户协作与IRS波束成形，提升在被动窃听下的保密性能。
• 对合法用户与窃听者信道的统计级联信道误差影响进行建模与分析。
• 设计一种两阶段通信协议，通过IRS与用户协作实现安全且节能的传输。

提出的方法

• 提出一种两阶段传输协议：在第一阶段，基站避免直接向被攻击用户发送信号；在第二阶段，其他用户在IRS协助下协作转发信号。
• 利用伯恩斯坦型不等式求解统计级联信道误差模型下的中断约束波束成形设计问题。
• 应用一种低复杂度算法，在被动窃听情况下最大化平均保密速率。
• 在IRS增强的MIMO系统中集成同时无线信息与能量传输（SWIPT），以实现能量采集。
• 将信道误差建模为统计分布，以考虑合法用户与窃听者级联信道中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当窃听者与合法用户方向对齐时，其存在对瑞利衰落信道中系统保密性能有何影响？
• RQ2 何种波束成形策略能有效减轻主动攻击的影响，同时确保被攻击用户的服务质量？
• RQ3 窃听者信道中的统计信道误差与合法用户信道误差相比，影响程度如何？
• RQ4 结合用户协作、IRS与能量采集，能否在被动窃听下提升保密速率？
• RQ5 在信道不确定性存在的情况下，保密速率最大化与中断约束之间的性能权衡如何？

主要发现

• 窃听者信道误差的负面影响比合法用户信道误差更为严重。
• 基于伯恩斯坦型不等式的所提波束成形设计能有效控制统计信道不确定性下的中断概率。
• 低复杂度算法在被动窃听情况下显著提升了平均保密速率。
• 在IRS支持下的用户协作可确保被攻击用户可靠接收信号，同时维持安全性。
• SWIPT与IRS的集成显著提升了MIMO系统的能效与物理层安全性。