[論文レビュー] Multi-antenna Wireless Legitimate Surveillance Systems: Design and Performance Analysis

Caijun Zhong, Xin Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、監視者が共同ジャミングとビームフォーミングを用いて盗聴非アウトージ確率を最大化するマルチアンテナフルデュプレックス正当監視システムを提案する。空間的ダイバーシティを活用することで、単一アンテナ構成に比べて盗聴の信頼性が向上し、SISO、SIMO、MISO、MIMO構成において閉形式の最適ジャミングパワーと効率的なビームフォーミング設計が可能となる。

ABSTRACT

To improve national security, government agencies have long been committed to enforcing powerful surveillance measures on suspicious individuals or communications. In this paper, we consider a wireless legitimate surveillance system, where a full-duplex multi-antenna legitimate monitor aims to eavesdrop on a dubious communication link between a suspicious pair via proactive jamming. Assuming that the legitimate monitor can successfully overhear the suspicious information only when its achievable data rate is no smaller than that of the suspicious receiver, the key objective is to maximize the eavesdropping non-outage probability by joint design of the jamming power, receive and transmit beamformers at the legitimate monitor. Depending on the number of receive/transmit antennas implemented, i.e., single-input single-output, single-input multiple-output, multiple-input single-output and multiple-input multiple-output (MIMO), four different scenarios are investigated. For each scenario, the optimal jamming power is derived in closed-form and efficient algorithms are obtained for the optimal transmit/receive beamforming vectors. Moreover, low-complexity suboptimal beamforming schemes are proposed for the MIMO case. Our analytical findings demonstrate that by exploiting multiple antennas at the legitimate monitor, the eavesdropping non-outage probability can be significantly improved compared to the single antenna case. In addition, the proposed suboptimal transmit zero-forcing scheme yields similar performance as the optimal scheme.

研究の動機と目的

• 遠距離の監視者におけるチャネル品質の悪さに起因する従来の受動的監視における盗聴信頼性の低さという課題に対処する。
• 単一アンテナフルデュプレックス盗聴の限界を補うために、空間的干渉低減とビームフォーミングゲインを活用する複数アンテナの導入による課題克服。
• 実用的なハードウェア制約下でジャミングパワーと送信/受信ビームフォーマーを共同最適化することにより、盗聴非アウトージ確率を最大化する。
• SISO、SIMO、MISO、MIMOの4つのアンテナ構成において、閉形式解と効率的なアルゴリズムを提供するビームフォーミング設計。
• 実用的導入を想定した低複雑度の部分最適ビームフォーミング方式を提案し、性能解析と高SNR近似を提供する。

提案手法

• 正当監視者の実現可能レートが不審受信者のレートを上回る確率として盗聴非アウトージ確率を定式化する。
• 確率的最適化を用いて、SISO、SIMO、MISO、MIMOの4つのアンテナ構成それぞれに対する閉形式の最適ジャミングパワーを導出する。
• 半定型計画法（SDR）を用いて、パワー制約および干渉制約下で最適な送信および受信ビームフォーミングベクトルを効率的に計算する。
• 3つの部分最適ビームフォーミング方式（TZF/MRC、MRT/RZF、MRT/MRC）を提案し、非アウトージ確率の閉形式表現を提供する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）を用い、フェージングチャネルの指数分布およびガンマ分布を性能解析に活用する。
• 積分恒等式および漸近的近似（例：高SNR）を用いて、アウトージ確率およびダイバーシティゲインの取り扱いやすい表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正当監視者にマルチアンテナを導入することで、単一アンテナシステムに比べて盗聴非アウトージ確率はどのように向上するか？
• RQ2 残余自己干渉を伴うフルデュプレックス運用下で、盗聴信頼性を最大化する最適ジャミングパワー割り当ては何か？
• RQ3 ゼロフォーリングや最大比結合などの異なるビームフォーミング戦略は、システム性能およびダイバーシティゲインにどのように影響を与えるか？
• RQ4 特に高出力領域において、最適と部分最適ビームフォーミング方式との性能ギャップはどの程度か？
• RQ5 マルチアンテナ正当監視システムでは完全なダイバーシティを達成できるか？また、自己干渉キャンセレーションはダイバーシティ順序にどのように影響を与えるか？

主な発見

• マルチアンテナの導入により、単一アンテナシステムに比べて盗聴非アウトージ確率が顕著に向上し、MRCビームフォーミングにより完全なダイバーシティゲインを達成可能である。
• ジャミングパワーとビームフォーマーの最適共同設計は部分最適方式を上回るが、性能ギャップは小さく、特にTZF/MRC方式はほぼ最適性能に近い。
• MRT/RZFビームフォーミング方式は、自己干渉キャンセレーションに1つの自由度を割り当てているため、MRCに比べて低いダイバーシティゲインを示す。
• 高SNR近似により、部分最適方式の非アウトージ確率が受信アンテナ数およびシステムSNRに比例して増加することが示され、そのロバスト性が確認された。
• 提案された部分最適TZF/MRC方式は最適方式に非常に近い性能を示し、低複雑度導入に適した強力な候補である。
• TZF/MRCおよびMRT/RZF方式について、盗聴非アウトージ確率の閉形式表現が導出され、効率的なシステム評価と設計が可能となった。