[論文レビュー] Secure Transmission with Large Numbers of Antennas and Finite Alphabet Inputs

Yongpeng Wu, Jun-Bo Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、有限アルファベット入力を持つセキュアなマスィブMIMOワイヤートップチャネルに対して、計算複雑性を著しく低減するとともに、従来のGSVDに基づく手法に内在するセキュリティレート損失を解消する、新しいパーファーマンスグループGSVD（PG-GSVD）プレコード設計を提案する。この手法は、従来の反復的設計と比較して、オーダー・オブ・マグニチュード低い複雑性でほぼ最適な性能を達成し、特に非ガウス信号制約のため従来のGSVDが失敗する高SNR領域で顕著な効果を示す。

ABSTRACT

In this paper, we investigate secure transmission over the large-scale multiple-antenna wiretap channel with finite alphabet inputs. First, we investigate the case where instantaneous channel state information (CSI) of the eavesdropper is known at the transmitter. We show analytically that a generalized singular value decomposition (GSVD) based design, which is optimal for Gaussian inputs, may exhibit a severe performance loss for finite alphabet inputs in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. In light of this, we propose a novel Per-Group-GSVD (PG-GSVD) design which can effectively compensate the performance loss caused by the GSVD design. More importantly, the computational complexity of the PG-GSVD design is by orders of magnitude lower than that of the existing design for finite alphabet inputs in [1] while the resulting performance loss is minimal. Then, we extend the PG-GSVD design to the case where only statistical CSI of the eavesdropper is available at the transmitter. Numerical results indicate that the proposed PG-GSVD design can be efficiently implemented in large-scale multiple-antenna systems and achieves significant performance gains compared to the GSVD design.

研究の動機と目的

• 大規模MIMOワイヤートップチャネルにおいて有限アルファベット入力が使用される場合、一般化特異値分解（GSVD）の高SNR領域における著しいセキュリティレート性能損失を解消すること。
• 送信アンテナ数の増加に伴いスケーリングが著しく悪化する既存の反復的最適化手法の代替として、低複雑性の設計を開発すること。
• 送信機に盗聴者の統計的チャネル状態情報（CSI）しか入手できない状況への拡張を図ること。
• 有限アルファベット入力下での相互情報量の上界を用いて、統計的CSI状況下での達成可能な確立的セキュリティレートの式を導出すること。

提案手法

• GSVDから得られるサブチャネルをグループ化することで、非ガウス入力に起因する性能損失を軽減するパーファーマンスグループGSVD（PG-GSVD）設計を提案する。
• PG-GSVDフレームワーク下でセキュリティレートを最適化する勾配降下に基づく反復的アルゴリズムを適用する。
• Jensenの不等式を用いて盗聴者の相互情報量の上界を導出し、確立的セキュリティレート解析を容易にする。
• プレコードャーと人工雑音共分散の構造的分解を活用し、サブチャネル間の相互情報量式を簡略化する。
• GSVD分解のブロック対角構造を活用し、ランクごとにサブチャネルをグループ化することで、確立的セキュリティレート式を簡略化する。
• コンステレーション点の和を独立したサブチャネル寄与に分離することで、盗聴者における期待相互情報量の扱いやすい近似を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来のGSVDベースのプレコード設計は、有限アルファベット入力が使用される高SNR領域で顕著な性能損失を被るのか？
• RQ2 マスィブMIMOワイヤートップチャネルにおける有限アルファベット入力に対して、ほぼ最適なセキュリティレートを達成しつつ、低複雑性のプレコード設計を開発できるか？
• RQ3 人工雑音を注入して盗聴者を劣化させる場合、送信パワーとアンテナ数の増加に伴いセキュリティレート性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 盗聴者の統計的CSIがのみ利用可能な場合、有限アルファベット信号伝送下での達成可能な確立的セキュリティレートは何か？
• RQ5 既存の反復的設計の計算複雑性を、セキュリティレート性能を損なわずにオーダー・オブ・マグニチュード低減できるか？

主な発見

• GSVDベースの設計は、$N_t > N_1$ の場合、高SNR領域で $(N_t - N_1)\log M$ b/s/Hz の最小限のレート損失を被る。これは非ガウス入力に起因する根本的な性能制限である。
• 提案されたPG-GSVD設計は、サブチャネルをグループ化することでこの性能損失を解消し、より良いパワー割り当てと干渉管理を可能にする。
• PG-GSVD設計は、[1]における反復的手法と比較して、オーダー・オブ・マグニチュード低い計算複雑性を実現しながら、ほぼ最適なセキュリティレート性能を維持する。
• 数値結果により、PG-GSVD設計が従来のGSVDと比較して、特に高SNR領域において顕著に優れたセキュリティレートを達成することが確認された。
• Jensenの不等式を用いて導出した確立的セキュリティレート式は、盗聴者の相互情報量に対してタイトな上界を提供し、統計的CSI下での正確な性能評価を可能にする。
• 提案手法は、送信アンテナ数が非常に多くても効率的かつスケーラブルであるため、実用的なマスィブMIMOシステムに適している。