[論文レビュー] On Secure Mixed RF-FSO Systems With TAS and Imperfect CSI

Hongjiang Lei, Haolun Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、複数アンテナを備えた盗聴者と不完全なチャネル状態情報（CSI）を有する混合RF-FSO二ホップリレーシステムにおける物理層セキュリティを調査し、セキュリティ性能を向上させるために4つの送信アンテナ選択（TAS）方式を提案する。Nakagami-mおよびMálaga fadingチャネル上での等価SNRの確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）の閉形式表現を導出するとともに、古くなったRF-CSIおよび不完全なFSO-CSIの影響を分析し、有効セキュリティスループットの上限を確立した。その結果、古くなったCSIはセキュリティ性能を著しく低下させ、送信アンテナ数の増加による利得は限定的であることが示された。

ABSTRACT

In this work, we analyze the secrecy outage performance of a dual-hop relay system composed of multiple-input-multiple-output radio-frequency (RF) links and a free-space optical (FSO) link while a multiple-antenna eavesdropper wiretaps the confidential information by decoding the received signals from the resource node. The channel state information (CSI) of the RF and FSO links is considered to be outdated. We propose three transmit antenna selection (TAS) schemes to enhance the secrecy performance of the considered systems. The secrecy outage performance with different TAS schemes is analyzed and the effects of misalignment and detection technology on the secrecy outage performance of mixed systems are studied. We derive the closed-form expressions for probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) over Málaga channel with imperfect CSI. Then the closed-form expressions for the CDF and PDF of the equivalent signal-to-noise ratio (SNR) at the legitimate receiver over Nakagami-$m$ and Málaga channels are derived. Furthermore, the lower bound of the secrecy outage probability (SOP) with different TAS schemes are derived. Besides, the asymptotic results for SOP are investigated by exploiting the unfolding of Meijer's $G$-function when the electrical SNR of FSO link approaches infinity. Finally, Monte-Carlo simulation results are presented to testify the correctness of the proposed analysis. The results illustrate that the outdated CSI shows a strong effect on the secrecy outage performance. In addition, increasing the number of antennas at the source cannot significantly enhance the secrecy performance of the considered systems.

研究の動機と目的

• 不完全で古くなったCSI下での混合RF-FSO二ホップリレーシステムのセキュリティアウトージャ性能を分析すること。
• 古くなったRF-CSIおよび不完全なFSO-CSIが物理層セキュリティに与える影響を評価すること。
• セキュリティ性能を向上させるために4つの送信アンテナ選択（TAS）方式の設計と比較を行うこと。
• Nakagami-mおよびMálaga fadingチャネル上での合法受信機における等価SNRのPDFおよびCDFの閉形式表現を導出すること。
• 有効セキュリティスループット（EST）の上限を確立し、FSOのSNRが増加する際の漸近的挙動を調査すること。

提案手法

• 不完全なCSIを伴うNakagami-mおよびMálaga fadingチャネル上での合法受信機における等価SNRの確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）を導出する。
• 複数アンテナを備えた盗聴者を想定し、空間的ダイバーシティを活用してセキュリティ性能を向上させる4つのTAS方式を提案する。
• 統計的チャネルモデルを用いて、RFリンクにおける古くなったCSIとFSOリンクにおける不完全なCSIを扱い、相関および推定誤差を組み込む。
• MeijerのG関数および特殊関数の恒等式（例：変形ベッセル関数）を用いて、SNR統計の閉形式表現を導出する。
• 有効セキュリティスループット（EST）の上限を導出し、MeijerのG関数の級数展開を用いて漸近的挙動を調査する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的結果の妥当性を検証し、さまざまなシステム構成下で正確性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFリンクにおける古くなったCSIは、混合RF-FSOシステムのセキュリティアウトージャ性能にどのように影響するか？
• RQ2 FSOリンクにおける不完全なCSIは、全体のセキュリティ性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 不完全なCSI下で、異なる送信アンテナ選択（TAS）方式は、セキュリティスループットの向上においてどのように比較されるか？
• RQ4 Nakagami-mおよびMálaga fadingチャネル上での合法受信機における等価SNRのPDFおよびCDFの閉形式表現は何か？
• RQ5 FSOリンクの電気的SNRが無限大に近づく際、有効セキュリティスループットはどのように漸近的に振る舞うか？

主な発見

• RFリンクにおける古くなったCSIは、セキュリティアウトージャ性能に強く悪影響を及ぼし、システムのセキュリティを著しく低下させる。
• FSOリンクにおける不完全なCSIは、盗聴者が送信機または受信機に近接している場合に特に、セキュリティ性能をさらに悪化させる。
• 送信機における送信アンテナ数を増加させても、古くなったCSIの支配的影響のため、セキュリティ性能の向上は顕著ではない。
• 提案されたTAS方式は効果的にセキュリティ性能を向上させ、有効セキュリティスループット（EST）の解析的上限が閉形式で導出された。
• FSOリンクの電気的SNRが増加するにつれ、ESTの漸近的挙動はMeijerのG関数の展開によって特定され、高SNRにおける性能の理解が得られる。
• モンテカルロシミュレーションにより、PDF、CDF、およびEST上限の導出された解析的表現が、さまざまなチャネル条件下で正確であることが確認された。