[論文レビュー] Ergodic Secrecy Rate of RIS-Assisted Communication Systems in the Presence of Discrete Phase Shifts and Multiple Eavesdroppers

Peng Xu, Gaojie Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、離散位相シフトと複数の盗聴者を有する再構成可能知的表面（RIS）支援システムにおける、エゴスティック・セキュリティレート（ESR）の閉形式近似を導出している。非共謀的および共謀的盗聴者において、ESRはRIS素子数Nに比例して対数的に増加することを示しており、位相量子化誤差とカスケードチャネル効果を考慮した分析がなされており、シミュレーションおよび漸近的解析によって検証されている。

ABSTRACT

This letter investigates the ergodic secrecy rate (ESR) of a reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communication system in the presence of discrete phase shifts and multiple eavesdroppers (Eves). In particular, a closed-form approximation of the ESR is derived for both non-colluding and colluding Eves. The analytical results are shown to be accurate when the number of reflecting elements of the RIS $N$ is large. Asymptotic analysis is provided to investigate the impact of $N$ on the ESR, and it is proved that the ESR scales with $\\log_2 N$ for both non-colluding and colluding Eves. Numerical results are provided to verify the analytical results and the obtained scaling laws.

研究の動機と目的

• 離散位相シフトや瞬時の盗聴チャネル状態情報（CSI）が未知であるという実用的制約下でのRIS支援システムにおけるエゴスティック・セキュリティレート（ESR）を分析すること。
• 瞬時の盗聴CSIに依存しない非共謀的および共謀的盗聴者に対するESRの閉形式近似を導出すること。
• 特に大N領域において、ESRがRIS素子数Nに対してどのようにスケーリングするかを調査すること。
• 実際のシステム設定下で、数値的シミュレーションおよび漸近的解析により、解析的結果を検証すること。

提案手法

• 著者らは、単一素子アンテナを備えた送信者、受信者、および複数の盗聴者を有するRIS支援システムをモデル化し、離散位相シフトを有するN個の受動的反射素子から成る一様線形アレイを用いる。
• 位相誤差の円対称性を活用して、盗聴者における受信信号対ノイズ比（SNR）の統計的分布を特徴づけることで、ESRの閉形式近似を導出する。
• 位相量子化誤差とカスケードチャネル（S→R→DおよびS→R→E_k）を考慮し、正当なリンクと盗聴リンクへの影響を明確に区別する。
• 理論的導出は、非共謀的および共謀的盗聴者においてESRがlog₂Nに比例することを示す漸近的解析によって裏付けられる。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、NおよびK（盗聴者数）の変動に対して解析的近似の妥当性を検証する。
• 位相由来の確率的変数の統計的独立性を確立するための補題が証明され、盗聴者におけるSNRモデリングを容易にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散位相シフトと複数の盗聴者を有する状況下で、RIS素子数Nに伴うエゴスティック・セキュリティレートのスケーリング特性はいかなるものか？
• RQ2 盗聴者の共謀（共謀的対非共謀的）は、達成可能なセキュリティレートにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 瞬時の盗聴CSIを必要としないESRの閉形式近似を導出可能か？
• RQ4 Nが増加するに従って、解析的近似はシミュレーション結果とどの程度一致するか？

主な発見

• 非共謀的および共謀的盗聴者において、エゴスティック・セキュリティレート（ESR）はRIS素子数Nに比例して対数的に増加する。すなわち、ESR ∝ log₂N である。
• N = 100の場合、非共謀的盗聴者ではESRは約3.7 bps/Hz、共謀的盗聴者では約2.5 bps/Hzである。
• N ≥ 46の範囲で、解析的近似はモンテカルロシミュレーションとよく一致しており、Nが増加するに従って精度が向上する。
• Nが10⁴を超えると、非共謀的および共謀的盗聴者間で約1 bps/Hzの一定のセキュリティレートギャップが存在する。
• 非共謀的盗聴者において、盗聴者数Kが増加するに従い、ESRは約5 bps/Hzのフロアに近づく。これは、最も近い盗聴者（nearest Eve）が性能を制限するためである。
• Kが増加するに従い、近似の精度が高くなることから、高密度の盗聴者環境下でも導出された解析モデルの堅牢性が確認される。