[論文レビュー] Closed-Form Expressions for Relay Selection with Secrecy Constraints

Xiaojun Sun, Chunming Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2010

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、盗聴の脅威下における双リンク協調ネットワークにおける中継選択と情報セキュリティ制約を満たす場合の平均秘匿レートおよびアウトージェ確率の閉形式式を導出する。インstantaneousチャネル状態情報（CSI）に基づく選択方式を提案し、Decode-and-Forward（DF）またはAmplify-and-Forward（AF）リレーリングにおいて、最高のインスタントゥラス秘匿レートを持つ中継を選び、シミュレーションによる検証を経た正確な解析的性能指標を達成する。

ABSTRACT

An opportunistic relay selection based on instantaneous knowledge of channels is considered to increase security against eavesdroppers. The closed-form expressions are derived for the average secrecy rates and the outage probability when the cooperative networks use Decode-and-Forward (DF) or Amplify-and-Forward (AF) strategy. These techniques are demonstrated analytically and with simulation results.

研究の動機と目的

• 盗聴の脅威下において協調無線ネットワークの秘匿容量を最大化する中継選択戦略の開発。
• DFおよびAFリレーリングプロトコル下での平均秘匿レートおよびアウトージェ確率の正確かつ近似の閉形式式の導出。
• ソースに瞬時のチャネル状態情報（CSI）が利用可能な物理層セキュリティ下での中継選択の性能評価。
• 秘匿レートおよびアウトージェの観点から、選択ベースの方式（S-DF、S-AF）と最適な送信電力配分（OPA-DF）の性能比較。

提案手法

• 中継選択は、主チャネルと盗聴チャネルのSNR比の対数として計算される最大のインスタントゥラス秘匿レートを持つ中継を選択する。
• DFリレーリングでは、R→DおよびR→EリンクのSNR比を用いてインスタントゥラス秘匿レートを導出し、平均秘匿レートおよびアウトージェ確率の正確な閉形式式を導出する。
• AFリレーリングでは、S→RおよびR→D/REのSNR積を用いた近似を導出し、修正ベッセル関数およびLommel関数を含む閉形式式を導出する。
• N個の中継における最大等価SNRの累積分布関数（CDF）を用いて、積分により平均秘匿レートおよびアウトージェ確率を計算する。
• IID Rayleigh fadingチャネル下で、さまざまなSNR条件においてモンテカルロシミュレーションによる理論的結果の妥当性を検証する。
• 最適な送信電力配分（OPA-DF）は、送信電力制約下での秘匿レート比を最大化する凸最適化問題としてモデル化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFベースの中継選択と秘匿制約下での平均秘匿レートの正確な閉形式式は何か？
• RQ2 AFベースの協調ネットワークにおける中継選択と秘匿制約下でのアウトージェ確率は、どのように解析的に表現できるか？
• RQ3 選択ベースのDFおよびAFプロトコルの性能は、最適な送信電力配分（OPA-DF）と比較して、秘匿レートおよびアウトージェの観点でどのように異なるか？
• RQ4 AFリレーリングにおける近似の閉形式式がシミュレーション結果とよく一致するのは、どのようなSNR条件下か？

主な発見

• DFベースの中継選択における平均秘匿レートおよびアウトージェ確率の正確な閉形式式は、あらゆるSNR領域でシミュレーション結果とほとんど完全に一致する。
• AFベースの中継選択において、S→RリンクのSNRがR→D/EリンクのSNRと比較して約16 dB高い場合に、平均秘匿レートの導出された閉形式近似式はシミュレーション結果と正確に一致する。
• 同じ数の中継数のもとで、選択ベースのDF（S-DF）は選択ベースのAF（S-AF）よりも平均秘匿レートおよびアウトージェ性能で優れている。
• 最適な送信電力配分（OPA-DF）は、最高の秘匿レートを達成しており、S-DFおよびS-AFを上回るが、実装の複雑さが高くなる。
• AF中継数が十分に大きい場合、S-AFはS-DFを上回る可能性があり、これは中継選択戦略と中継数の間のトレードオフを示している。