[論文レビュー] Analysis and Design of Secure Massive MIMO Systems in the Presence of Hardware Impairments

Jun Zhu, Derrick Wing Kwan Ng+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、送信機のハードウェア劣化を想定し、受信機の位相ノイズ、加法的歪み、受信機ノイズをモデル化しながら、盗聴者に理想的なハードウェアがあると仮定した下り回線マスィブMIMOシステムの秘匿速度を分析・最適化する。一般化されたヌル空間人工ノイズビームフォーミング方式を提案し、位相ノイズの影響を軽減する。また、人工ノイズのパワーが低い場合、加法的歪みノイズが逆説的に秘匿性能を向上させることを示す。

ABSTRACT

To keep the hardware costs of future communications systems manageable, the use of low-cost hardware components is desirable. This is particularly true for the emerging massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems which equip base stations (BSs) with a large number of antenna elements. However, low-cost transceiver designs will further accentuate the hardware impairments which are present in any practical communication system. In this paper, we investigate the impact of hardware impairments on the secrecy performance of downlink massive MIMO systems in the presence of a passive multiple-antenna eavesdropper. Thereby, for the BS and the legitimate users, the joint effects of multiplicative phase noise, additive distortion noise, and amplified receiver noise are taken into account, whereas the eavesdropper is assumed to employ ideal hardware. We derive a lower bound for the ergodic secrecy rate of a given user when matched filter (MF) data precoding and artificial noise (AN) transmission are employed at the BS. Based on the derived analytical expression, we investigate the impact of the various system parameters on the secrecy rate and optimize both the pilot sets used for uplink training and the AN precoding. Our analytical and simulation results reveal that 1) the additive distortion noise at the BS may be beneficial for the secrecy performance, especially if the power assigned for AN emission is not sufficient; 2) all other hardware impairments have a negative impact on the secrecy performance; 3) { extcolor{blue}{despite their susceptibility to pilot interference in the presence of phase noise}}, so-called spatially orthogonal pilot sequences are preferable unless the phase noise is very strong; 4) the proposed generalized null-space (NS) AN precoding method can efficiently mitigate the negative effects of phase noise.

研究の動機と目的

• 下り回線マスィブMIMOシステムにおけるエルゴディック秘匿速度に及ぼすハードウェア劣化（位相ノイズ、加法的歪み、受信機ノイズ）の影響を分析すること。
• 盗聴者が理想的なハードウェアを備えて信号を盗聴しようとする場合、これらの劣化要因が物理層セキュリティに与える影響を調査すること。
• 現実的なハードウェア制約下で秘匿速度を最大化するために、パイロットシーケンスと人工ノイズ（AN）ビームフォーミングを最適化すること。
• 位相ノイズの悪影響を効果的に軽減する一般化されたヌル空間（G-NS）ANビームフォーミング手法を提案すること。
• 不完全なハードウェア下でのマッチドフィルタービームフォーミングとAN送信における、エルゴディック秘匿速度の下界を導出すること。

提案手法

• マッチドフィルタービームフォーミングと人工ノイズ（AN）送信を用いて、ハードウェア劣化が存在する下でのエルゴディック秘匿速度の下界を導出する。
• 基地局およびユーザーのハードウェア劣化を乗法的位相ノイズと加法的歪みノイズとしてモデル化し、増幅された受信機ノイズを含める。
• 配列をサブアレイに分割することで位相ノイズの影響を抑制する一般化されたヌル空間（G-NS）ANビームフォーミング技術を導入する。
• 統計的チャネル状態情報と大規模システム解析を用いて、秘匿速度およびAN漏れ電力の閉形式表現を導出する。
• ジェンセンの不等式と行列集中結果を用いて盗聴者の容量を上界で評価し、秘匿速度解析を可能にする。
• パイロット集合の最適化と上行リンク訓練におけるANビームフォーミング設計を実施し、ハードウェア劣化下での秘匿性能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相ノイズ、加法的歪み、受信機ノイズといった異なる種類のハードウェア劣化が、マスィブMIMOシステムの秘匿速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 基地局における加法的歪みノイズは、秘匿性能を向上させることができるか。また、どのような条件下でそうなるか？
• RQ3 位相ノイズは秘匿速度をどのように劣化させるか。また、高度なビームフォーミング技術によって効果的に軽減できるか？
• RQ4 ハードウェア劣化下で、パイロットシーケンスと人工ノイズビームフォーマーを最適に設計すると、秘匿速度を最大にするにはどうすればよいか？
• RQ5 一般化されたヌル空間（G-NS）ANビームフォーミング方式は、位相ノイズが存在する状況で、従来のヌル空間ビームフォーミングを上回る性能を示すか？

主な発見

• 基地局における加法的歪みノイズは、人工ノイズに割り当てられる電力が不足している場合、特に秘匿性能を向上させる。
• 位相ノイズおよびその他のハードウェア劣化（加法的歪みを除く）は秘匿速度を劣化させるが、特に位相ノイズが顕著な悪影響を及ぼす。
• 空間的に直交するパイロットシーケンスが推奨されるが、位相ノイズが非常に強い場合には、位相ノイズの影響が顕著になるため、パイロット干渉に弱い。
• 提案された一般化されたヌル空間（G-NS）ANビームフォーミング手法は、サブアレイ構造を活用することで、位相ノイズの悪影響を効果的に抑制する。
• 導出されたエルゴディック秘匿速度の下界はきわめてタイトであり、現実的なハードウェア劣化下での性能評価に正確に適用可能である。
• 統計的独立性と行列集中を用いて盗聴者の容量を上界で評価し、取り扱いやすい秘匿速度解析を可能にした。