[論文レビュー] Physical Layer Security Enhancement With Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Networks

Jiayi Zhang, Hongyang Du+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 59被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ランダムに配置された多素子ユーザーと多素子盗聴者を伴う再構成可能知能表面（RIS）支援下行MIMOネットワークにおける物理層セキュリティを分析するための確率的幾何学ベースのフレームワークを提案する。Fisher-Snedecor F分布を用いたSINR分布の正確な閉形式表現を導出することで、RISが反射素子数が大きいほどセキュリティ性能を顕著に向上させることを示しており、盗聴アウトージョン確率、秘密容量、平均秘密レートの面で従来のMIMOシステムを上回っている。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided wireless communications have drawn significant attention recently. We study the physical layer security of the downlink RIS-aided transmission framework for randomly located users in the presence of a multi-antenna eavesdropper. To show the advantages of RIS-aided networks, we consider two practical scenarios: Communication with and without RIS. In both cases, we apply the stochastic geometry theory to derive exact probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-interference-plus-noise ratio. Furthermore, the obtained PDF and CDF are exploited to evaluate important security performance of wireless communication including the secrecy outage probability, the probability of nonzero secrecy capacity, and the average secrecy rate. Monte-Carlo simulations are subsequently conducted to validate the accuracy of our analytical results. Compared with traditional MIMO systems, the RIS-aided system offers better performance in terms of physical layer security. In particular, the security performance is improved significantly by increasing the number of reflecting elements equipped in a RIS. However, adopting RIS equipped with a small number of reflecting elements cannot improve the system performance when the path loss of NLoS is small.

研究の動機と目的

• ランダムに配置されたユーザーと多素子盗聴者を伴う現実的な状況下におけるRIS支援下行MIMOネットワークの物理層セキュリティ（PLS）性能を評価すること。
• ユーザー位置とチャネル状態のトポロジカルなランダムネスをモデル化するための確率的幾何学に基づく新しい解析フレームワークを確立すること。
• RISが従来のMIMOシステムに比べて提供する秘密性能向上を、盗聴アウトージョン確率、非ゼロ秘密容量、平均秘密レートの観点から定量的に評価すること。
• 特に反射素子数に注目したRISの構成が、さまざまな伝搬条件下でのセキュリティ強化に与える影響を調査すること。

提案手法

• ユーザーと盗聴者のランダムな空間的分布を捉えるために、下行RIS支援MIMOシステムを確率的幾何学でモデル化する。
• Fisher-Snedecor F分布を用いて、受信SINRの確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）の正確な閉形式表現を導出する。
• Mellin-Barnes積分表現とMeijerのG関数を用いて、CDFおよびアウトージョン確率を解析的に取り扱える形で表現する。
• RISの導入有無の2つのシナリオを想定し、秘密性能の比較的分析を可能にする。
• 導出されたSINR分布を基に、主な秘密性能指標（盗聴アウトージョン確率、非ゼロ秘密容量の確率、平均秘密レート）を計算する。
• マルコフモンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証し、さまざまなパスロスおよび展開条件において高い精度を確認する。

Figure 1: Two practical scenarios: Communication without (left hand side) and with RIS (right hand side).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能知能表面（RIS）の導入は、ランダムに配置されたユーザーを伴う下行MIMOネットワークにおける物理層秘密性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 RISの反射素子数が盗聴アウトージョン確率および平均秘密レートに与える影響は何か？
• RQ3 非直視線（NLoS）路損失が小さい条件下で、RISがセキュリティ向上に寄与しないのはどのような状況か？
• RQ4 SINRの統計的性質、特にそのPDFとCDFは、RIS支援と非RIS支援のシステムでどのように異なるか？
• RQ5 多素子盗聴者とユーザー移動性を伴うRIS支援ネットワークの秘密性能を、確率的幾何学が効果的にモデル化できるか？

主な発見

• RIS支援システムは、特に盗聴アウトージョン確率の低減という点で、従来のMIMOシステムを顕著に上回る物理層セキュリティ性能を示している。
• RISの反射素子数が増加するにつれて秘密性能が著しく向上し、直接的なスケーリングゲインが確認された。
• 非直視線（NLoS）リンクのパスロスが小さい場合、反射素子数が少ないRISではセキュリティ向上が得られず、しきい値効果が顕在化する。
• 導出されたSINRのPDFおよびCDFはMeijerのG関数を用いて表現されており、秘密性能指標の正確な解析的評価を可能にしている。
• 非ゼロ秘密容量の確率および平均秘密レートは解析的に導出され、モンテカルロシミュレーションによる検証を通じて、確率的幾何学フレームワークの正確性が裏付けられた。
• 提案されたフレームワークは、ユーザー位置のランダムネスと多素子盗聴の影響を的確に捉えており、安全なRISネットワーク設計に実用的なツールを提供している。

Figure 3: Outage probability versus the transmit power for user $n$ .