[論文レビュー] On the Secrecy Outage Capacity of Physical Layer Security in Large-Scale MIMO Relaying Systems with Imperfect CSI

Xiaoming Chen, Lei Lei+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、短距離での傍受者による盗聴および不完全なチャネル状態情報（CSI）の下で、無線ネットワークにおける機密性を向上させるために、物理層セキュリティを備えた大規模MIMO（LS-MIMO）リレーシステムを提案する。増幅・再送（AF）および復元・再送（DF）リレーシステムにおけるセキュリティアウトレイジ容量の明示的表現を導出しており、LS-MIMOがCSIの不完全性に起因する性能劣化を緩和し、傍受者が送信元に近接している場合でも信頼性の高い安全通信を実現できることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we study the problem of physical layer security in a large-scale multiple-input multiple-output (LS-MIMO) relaying system. The advantage of LS-MIMO relaying systems is exploited to enhance both wireless security and spectral efficiency. In particular, the challenging issue incurred by short interception distance is well addressed. Under very practical assumptions, i.e., no eavesdropper's channel state information (CSI) and imperfect legitimate channel CSI, this paper gives a thorough investigation of the impact of imperfect CSI in two classic relaying systems, i.e., amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) systems, and obtain explicit expressions of secrecy outage capacities for both cases. Finally, our theoretical claims are validated by the numerical results.

研究の動機と目的

• 送信元に近接するため強い信号を傍受可能な短距離での傍受者による盗聴という課題に対処すること。
• eavesdropperのCSIが入手不可で、正当なチャネルのCSIが不完全であるという現実的な仮定の下で、大規模MIMO（LS-MIMO）リレーシステムにおける物理層セキュリティを検討すること。
• これらの条件下で、AFおよびDFリレーシステムにおけるセキュリティアウトレイジ容量の明示的表現を導出すること。
• 大規模MIMOリレーネットワークにおける安全で高レートの通信を最適化するための性能最適化ガイドラインを提供すること。

提案手法

• TDDベースのLS-MIMOリレーシステムをモデル化し、単一アンテナの送信元、単一アンテナの受信端末、および多アンテナリレヤーを想定する。半二重モードで動作する。
• リレヤーは正当チャネル（送信元→リレー、リレー→受信端末）の不完全なCSIを有すると仮定するが、eavesdropperのCSIは完全に未知であると仮定する。
• eavesdropperおよび受信端末における信号対インターーフェレンス＋ノイズ比（SINR）を分析することで、AFおよびDFリレーシステムのセキュリティアウトレイジ容量の表現を導出する。
• 大規模MIMOにおけるチャネル硬化を用いて、チャネルゲインの分布を近似することで、セキュリティアウトレイジ確率の解析を容易にする。
• 推定ビームフォーミングベクトルの等方的性質に起因し、効果的eavesdropperチャネルゲインに対してカイ二乗分布を適用する。
• 数値シミュレーションを用いて理論的結果の妥当性を検証し、さまざまなシステムパラメータ下で導出された表現の正確性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーサイドでの不完全なCSIは、LS-MIMOリレーシステムにおけるセキュリティアウトレイジ容量にどのように影響するか？
• RQ2 短距離でのeavesdroppingの影響は物理層セキュリティに及ぼし、LS-MIMOはこれを緩和できるか？
• RQ3 不完全なCSI下で、AFおよびDFリレーシステムのセキュリティアウトレイジ容量はどのように比較されるか？
• RQ4 eavesdropperのCSIが全く入手不可であるLS-MIMOリレーシステムにおいて、セキュリティアウトレイジ容量の明示的解析表現を導出できるか？
• RQ5 このようなシステムで達成可能な性能限界は何か？ そして、それらはどのように最適化できるか？

主な発見

• AFリレーシステムにおけるセキュリティアウトレイジ容量は、リレーのアンテナ数、電力割り当て、CSI品質といったシステムパラメータの明示的関数として導出されており、アウトレイジ確率はeavesdropperのチャネルゲイン分布に依存する。
• DFリレーシステムにおいては、eavesdropperチャネルが推定ビームフォーミング方向への射影の二乗絶対値に依存しており、自由度2のカイ二乗分布に従うことが示された。
• 導出された表現から、リレーのアンテナ数 $N_R$ が増加するに従い、チャネル硬化のおかげでセキュリティアウトレイジ容量が著しく向上することが明らかになった。容量は $W\log_2\left(1+\frac{a\rho N_R^2}{b\rho N_R + cN_R + 1}\right)$ のように近似的にスケーリングする。
• 数値結果から、LS-MIMOリレーシステムがアレイゲインとビームフォーミングの指向性を活用することで、短距離でのeavesdroppingの影響を効果的に抑制できることを確認した。
• 分析から、$N_R$ が増加するに従いセキュリティアウトレイジ確率が低下し、$N_R$ が十分に大きくなると、理想状態と不完全なCSIの間の性能差が小さくなることが示された。
• 導出された表現は、実用的制約下でセキュリティレートを最大化するための電力割り当ておよびビームフォーミングの最適化を可能にするシステム設計の基盤を提供する。