[論文レビュー] Secure M-PSK Communication via Directional Modulation

Ashkan Kalantari, Mojtaba Soltanalian+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、複数アンテナを備えた送信機を用いた安全なM-PSK通信のための方向性モデュレーションビームフォーミング技術を提案する。この手法は、合法的受信機における受信信号位相を目的のM-PSKシンボル位相に一致させるようにアレイビームを指向させるとともに、盗聴者においては異なる位相を誘発し、盗聴者の符号誤り率（SER）を上昇させる。この際、盗聴者のチャネル状態情報（CSI）を必要としない。本手法は、ゼロフォース予めっきングに比べて低い電力消費と顕著に高い盗聴者SERを達成し、有限アルファベット信号における物理層セキュリティの向上を示している。

ABSTRACT

In this work, a directional modulation-based technique is devised to enhance the security of a multi-antenna wireless communication system employing M-PSK modulation to convey information. The directional modulation method operates by steering the array beam in such a way that the phase of the received signal at the receiver matches that of the intended M-PSK symbol. Due to the difference between the channels of the legitimate receiver and the eavesdropper, the signals received by the eavesdropper generally encompass a phase component different than the actual symbols. As a result, the transceiver which employs directional modulation can impose a high symbol error rate on the eavesdropper without requiring to know the eavesdropper's channel. The optimal directional modulation beamformer is designed to minimize the consumed power subject to satisfying a specific resulting phase and minimal signal amplitude at each antenna of the legitimate receiver. The simulation results show that the directional modulation results in a much higher symbol error rate at the eavesdropper compared to the conventional benchmark scheme, i.e., zero-forcing precoding at the transmitter.

研究の動機と目的

• 盗聴者のチャネル状態情報（CSI）を必要としない多アンテナM-PSKシステムにおける物理層セキュリティの向上を目的とする。
• 送信電力の最小化を実現しつつ、合法的受信機での正しい位相整合と各送信アンテナにおける最小信号振幅を保証する最適ビームフォーマーの設計を目的とする。
• 符号誤り率（SER）と電力効率の観点から、従来のゼロフォース（ZF）予めっきングと比較して、方向性モデュレーションの性能を評価することを目的とする。
• 方向性モデュレーションが、盗聴者がグローバルなCSIとシステム構成の完全な知識を有していても、位相不整合を引き起こすことで盗聴者のSERを著しく上昇させることを示すこと

提案手法

• ビームフォーマーの重みを最適化し、合法的受信機における受信信号位相を所望のM-PSKシンボル位相に一致させるとともに、総送信電力を最小化する。
• 合法的受信機での信頼性の高い受信を保証するため、各送信アンテナにおける最小信号振幅をビームフォーミング設計に組み込む。
• 合法的受信機と盗聴者との間のチャネル応答の差を活用し、盗聴者において位相不整合を誘発することで、そのSERを上昇させる。
• 合法的受信機でのゼロフォース処理やMMSE処理を不要とすることで、受信機設計の簡素化を実現する。
• 盗聴者がグローバルなCSIと、アンテナ数や変調次数を含むシステムパrameterの完全な知識を有すると仮定してビームフォーマーを設計する。
• シミュレーションを用いて、従来のベンチマーク手法であるゼロフォース予めっきングと比較し、SERと電力消費の両面で性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方向性モデュレーションは、盗聴者のCSIを必要とせずに安全なM-PSK通信を実現できるか？
• RQ2 方向性モデュレーションとゼロフォース予めっきングの間で、盗聴者の符号誤り率（SER）はどのように異なるか？
• RQ3 従来のZF予めっきングと比較して、方向性モデュレーションビームフォーマーの電力効率はどの程度か？
• RQ4 送信アンテナ数と受信アンテナ数の増加が、方向性モデュレーションのセキュリティと性能に与える影響は何か？
• RQ5 どのような条件下で盗聴者が方向性モデュレーション方式において信号を正しく復元できるか？

主な発見

• 方向性モデュレーション方式は、特に盗聴者が合法的受信機よりも多くのアンテナを備えている場合に、ゼロフォース予めっきングと比較して著しく高い符号誤り率（SER）を盗聴者に誘発する。
• L = 9 および N = 8 の場合、盗聴者における方向性モデュレーションとZF間のSER差は、N = 6 の場合よりも顕著に増大し、盗聴者アレイが大型化するほどセキュリティが向上することが示された。
• 特定の送信アンテナ数Lの範囲において、方向性モデュレーションの平均消費電力はゼロフォース予めっきングを下回り、Lが増加するに従い電力利点が拡大する。
• L = 8 および N = 6 の場合、方向性モデュレーションでは信号レベル √γ の増加に伴って盗聴者のSERは低下せず、一方でZFでは √γ の増加に伴いSERが低下する。
• N < L の場合、盗聴者が完全なCSIを有していても、方向性モデュレーションではビームフォームド信号の推定が信頼性に欠ける。
• 合法的受信機ではゼロフォース処理やMMSE処理を必要とせず、受信機実装の簡素化と複雑さの低減が達成される。