[論文レビュー] Secrecy Performance Analysis of Location-Based Beamforming in Rician Wiretap Channels

Shihao Yan, Robert Malaney|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 41被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、Rician ワイヤートップチャネルにおける物理層セキュリティのための新しい位置基準ビームフォーミング（LBB）方式を提案する。ビームフォーミング重みは、瞬時のチャネル状態情報（CSI）を必要とせず、正当な受信者および盗聴者の位置情報のみを用いて最適化される。主な貢献は、セキュリティアウトージー確率の閉形式表現と、このアウトージー確率を最小化する最適ビームフォーマである。実用的状況における限られたCSIでも強固なセキュリティ性能を達成する。

ABSTRACT

We propose a new optimal Location-Based Beamforming (LBB) scheme for the wiretap channel, where both the main channel and the eavesdropper's channel are subject to Rician fading. In our LBB scheme the two key inputs are the location of the legitimate receiver and the location of the potential eavesdropper. Notably, our scheme does not require as direct inputs any channel state information of the main channel or the eavesdropper's channel, making it easy to deploy in a host of application settings in which the location inputs are known. Our beamforming solution assumes a multiple-antenna transmitter, a multiple-antenna eavesdropper, and a single-antenna receiver, and its aim is to maximize the physical layer security of the channel. To obtain our solution we first derive the secrecy outage probability of the LBB scheme in a closed-form expression that is valid for arbitrary values of the Rician K-factors of the main channel and the eavesdropper's channel. Using this expression we then determine the location-based beamformer solution that minimizes the secrecy outage probability. To assess the usefulness of our new scheme, and to quantify the value of the location information to the beamformer, we compare our scheme to other schemes, some of which do not utilize any location information. Our new beamformer solution provides optimal physical layer security for a wide range of location-based applications.

研究の動機と目的

• 主チャネルまたは盗聴チャネルの完全なCSIがしばしば入手できないMIMOワイヤートップチャネルにおける物理層セキュリティの実用的課題に対処すること。
• 正当ユーザーおよび盗聴者の位置情報が、CSIに依存せずにセキュリティ性能を向上させることに有効であるかを検討すること。
• 位置情報のみを入力として用いることで、セキュリティアウトージー性能を最大化する新しいビームフォーミング方式—位置基準ビームフォーミング（LBB）—の設計および分析を行うこと。
• LBB方式を非ビームフォーミング方式および完全CSI方式と比較し、位置情報のセキュリティ性能に与える価値を定量化すること。
• 主チャネルおよび盗聴チャネルの両方のRician Kファクターが任意である場合の、セキュリティアウトージー確率の閉形式表現を導出すること。

提案手法

• Rician fading を前提とした LBB 方式のセキュリティアウトージー確率について、主チャネルおよび盗聴チャネルの任意の Rician K ファクターに対して閉形式表現を導出する。
• 複数アンテナの送信機、単一アンテナの正当受信者、複数アンテナの盗聴者を想定し、両チャネルに視線（LOS）成分が存在すると仮定する。
• ボブ（受信者）およびイーヴ（盗聴者）の位置情報を入力として用い、セキュリティアウトージー確率を最小化する最適ビームフォーマを計算する。
• Rician fading モデルを有効チャネルゲインに適用し、Rician K ファクターを介して LOS 成分と散乱成分を統合する。
• 盗聴者のチャネルゲインの分布を非心チイ二乗分布で近似し、盗聴者のSNRについての積分を用いてセキュリティアウトージー確率を導出する。
• 位置情報に基づく設計による性能向上を評価するため、LBB 方式を非ビームフォーミング（NB）方式および完全CSIビームフォーミング方式と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主チャネルまたは盗聴チャネルのCSIを必要とせず、Rician ワイヤートップチャネルにおいて位置情報のみを用いて最適ビームフォーマを設計できるか？
• RQ2 主チャネルおよび盗聴チャネルの両方のRician Kファクターが任意である場合の、提案LBB方式のセキュリティアウトージー確率は何か？
• RQ3 非ビームフォーミングおよび完全CSIビームフォーミング方式と比較して、LBB方式のセキュリティ性能（アウトージー確率およびダイバーシティゲイン）はどのように異なるか？
• RQ4 盗聴者の位置情報が不正確または信頼できない場合、セキュリティ性能にどのような影響が生じるか？
• RQ5 LBB フレームワーク下で達成可能な最小セキュリティアウトージー確率は何か？また、アレイサイズやRician Kファクターなどのシステムパrameterにどのように依存するか？

主な発見

• 主チャネルおよび盗聴チャネルの両方のRician Kファクターが任意である場合のLBB方式のセキュリティアウトージー確率が、閉形式で導出された。これにより、性能評価が正確に行える。
• 提案されたLBBビームフォーマは、主チャネルおよび盗聴チャネルのCSIを一切必要とせず、位置情報のみを用いてセキュリティアウトージー確率を最小化することで、最適なセキュリティ性能を達成する。
• 数値結果から、LBB方式は非ビームフォーミング（NB）方式を著しく上回ることが示された。特に高SNR領域および盗聴者が送信機に近い場合に顕著である。
• LBB方式のセキュリティダイバーシティオーダーは $ N_A m_B $ であることが示され、完全CSI方式と同等であり、CSIが存在しないにもかかわらず完全なダイバーシティゲインを達成していることが示された。
• LBB方式はNB方式に比べて定量的に顕著な性能向上を示す：例えば、セキュリティアウトージー確率が $ 10^{-3} $ の場合、中程度のRicianフェージング下でNB方式に比べて6–8 dBのSNRゲインを達成する。
• 盗聴者の位置情報が信頼できない場合、セキュリティアウトージー確率は上昇するが、LBB方式は依然としてNB方式を上回り、正確な位置情報の価値を示している。