[论文解读] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO Systems

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

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种两阶段IRS辅助的安全SWIPT MIMO系统，通过用户协作与智能反射面提升物理层安全性，以应对主动攻击和被动窃听。通过利用统计CSI误差模型下的鲁棒波束成形，以及一种低复杂度的保密速率最大化算法，该方案在窃听信道不确定性较高的情况下实现了显著的安全增益。

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IRS辅助MIMO系统中窃听者与合法用户在角度方向对齐时的物理层安全挑战。
• 在统一的两阶段传输框架下，同时应对主动攻击（窃听者伪装成用户）与被动窃听（CSI未知）问题。
• 在统计级联信道误差模型下设计鲁棒波束成形，以确保中断约束下的保密速率。
• 基于主要化-最小化（MM）框架，采用低复杂度算法最大化平均保密速率，以应对被动窃听。
• 评估信道状态信息（CSI）不完善对窃听者与合法用户信道的影响，结果表明窃听者信道不确定性具有更强的负面影响。

提出的方法

• 提出一种两阶段通信协议：第一阶段避免直接向被攻击用户传输信号；第二阶段通过IRS辅助的信号转发实现用户协作。
• 在瑞利衰落信道下建模系统，其中窃听者与合法用户在角度方向对齐。
• 针对主动攻击，建立在统计级联信道误差模型下的中断约束波束成形问题，并通过伯恩斯坦型不等式近似求解。
• 针对被动窃听，建立基于主要化-最小化（MM）框架的平均保密速率最大化问题。
• 设计一种基于代理问题构建与价格机制的低复杂度算法，以求解非凸优化问题。
• 通过主要化技术构建线性下界，并结合凸松弛方法，将非凸约束转化为可处理形式，从而通过双变量的二分搜索法获得闭式解。

实验结果

研究问题

• RQ1 基站的CSI不完善在IRS辅助的安全MIMO系统中对主动攻击下的保密性能有何影响？
• RQ2 与合法用户信道不确定性相比，窃听者信道不确定性对系统保密速率的影响如何？
• RQ3 当窃听者与合法用户对齐时，结合IRS与能量采集的用户协作能否提升安全通信性能？
• RQ4 在统计CSI误差模型下，如何设计鲁棒波束成形以确保IRS辅助SWIPT系统中的中断约束？
• RQ5 所提出的低复杂度算法在最大化被动窃听下的平均保密速率时，性能增益如何？

主要发现

• 窃听者信道误差的负面影响大于合法用户信道误差，凸显了针对窃听者不确定性进行鲁棒设计的必要性。
• 所提出的统计CSI误差模型下的鲁棒波束成形设计，通过伯恩斯坦型不等式近似，可确保中断约束下的保密速率。
• 针对平均保密速率最大化的低复杂度算法，通过主要化-最小化与价格机制实现高性能收敛。
• 数值结果表明，即使在高窃听者角度对齐与信道不确定性条件下，系统仍能保持高保密速率。
• 所提方案优于传统无用户协作的IRS辅助系统，尤其在大规模IRS孔径与高窃听者信道不确定性场景下表现更优。
• 随着IRS反射单元数量的增加，性能增益更加显著，验证了该方法在大规模IRS部署中的可扩展性。