[論文レビュー] Secure Wireless Information and Power Transfer in Large-Scale MIMO Relaying Systems with Imperfect CSI

Xiaoming Chen, Jian Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報（CSI）を伴う大規模MIMOアンプリファイ・アンド・フォワードリレーシングシステムにおけるセキュアな無線情報および電力伝送方式を提案する。不完全なCSI下での情報漏洩アウトージ容量の明示的表現を導出し、この容量を最大化するためのリレ一での最適なパワー分離方式を設計した。盗聴者に近接している状況やチャネル推定誤差が存在する中でも、堅牢な性能を達成している。

ABSTRACT

In this paper, we address the problem of secure wireless information and power transfer in a large-scale multiple-input multiple-output (LS-MIMO) amplify-and-forward (AF) relaying system. The advantage of LS-MIMO relay is exploited to enhance wireless security, transmission rate and energy efficiency. In particular, the challenging issues incurred by short interception distance and long transfer distance are well addressed simultaneously. Under very practical assumptions, i.e., no eavesdropper's channel state information (CSI) and imperfect legitimate channel CSI, this paper investigates the impact of imperfect CSI, and obtains an explicit expression of the secrecy outage capacity in terms of transmit power and channel condition. Then, we propose an optimal power splitting scheme at the relay to maximize the secrecy outage capacity. Finally, our theoretical claims are validated by simulation results.

研究の動機と目的

• 不完全なCSIを伴う大規模MIMO（LS-MIMO）アンプリファイ・アンド・フォワード（AF）リレーシングシステムにおけるセキュアな無線情報および電力伝送（WIPT）の課題に対処する。
• 長距離伝送と短距離での盗聴という二重の課題に取り組み、実用的展開において重要な要因となる。
• 不完全なCSI下で情報漏洩アウトージ容量を最大にするために、リレーでのパワー分離方式を開発する。盗聴者のCSIは存在しないものとする。
• 実際のシステム条件における送信電力、CSIの正確さ、伝送距離がセキュリティ性能に与える影響を分析する。

提案手法

• 単一素子アンテナを備えた送信機、受信機、盗聴者、および大規模アンテナを備えたリレーを有する時分割双方向（TDD）LS-MIMO AFリレーシングシステムを定式化する。
• リレーを、受信信号をエネルギー効率化と情報処理の両方に分けるパワー分離比θを用いてモデル化する。
• チャネル硬化の下で漸近的解析を用い、送信電力、CSIの正確さ（ρ）、およびシステムパラメータの関数として、情報漏洩アウトージ容量の明示的表現を導出する。
• 大システム解析を用いて、盗聴者のチャネル利得の分布を近似する。リレーのチャネル推定がアンテナ数の増加に伴い高精度になるという事実を活用する。
• 盗聴者の信号対インタークッション＋ノイズ比（SINR）の累積分布関数（CDF）を用いて、情報漏洩アウトージ確率を計算する。
• 不完全なCSI下での容量の閉形式表現から導出された最適なパワー分離比θを、情報漏洩アウトージ容量を最大にするために提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正当なリレーでの不完全なCSIが、LS-MIMO AFリレーシングシステムにおける情報漏洩アウトージ容量に与える影響は何か？
• RQ2 盗聴者のCSIが存在せず、正当なCSIが不完全な状況下で、情報漏洩アウトージ容量を最大にするリレーでの最適なパワー分離比は何か？
• RQ3 送信電力、リレーのアンテナ数、チャネル推定の正確さが、共同してセキュリティ性能に与える影響は何か？
• RQ4 エネルギー効率化と安全な情報伝送のトレードオフを捉えた閉形式で表された情報漏洩アウトージ容量は得られるか？
• RQ5 高信号対ノイズ比（SNR）領域において、情報漏洩アウトージ容量は飽和するか？ もし飽和するならば、その主要因は何か？

主な発見

• 情報漏洩アウトージ容量は、$ C_{SOC} = W\text{log}_2\left(1 + \frac{a\theta(1-\theta)\rho N_R^3}{b\theta\rho N_R^2 + c(1-\theta)N_R + 1}\right) - W\text{log}_2\left(1 + \frac{e\theta(1-\theta)N_R^2\ln\varepsilon}{f\theta N_R\ln\varepsilon - c(1-\theta)N_R - 1}\right) $ の閉形式で導出され、CSIの正確さとシステムパラメータの影響を明示的に捉えている。
• 高送信電力領域では、情報漏洩アウトージ容量は送信元の送信電力 $ P_S $ に依存しなくなり、干渉とチャネル推定誤差のため、飽和効果が生じることが示された。
• 情報漏洩アウトージ容量を最大にする最適なパワー分離比θが導出され、不完全なCSI下でエネルギー効率化と情報転送のバランスをとっている。
• シミュレーション結果は理論的分析を裏付け、提案手法が従来手法と比較して、特に不完全なCSI下で顕著にセキュリティ性能を向上させることを確認した。
• 大規模MIMOにおけるチャネル硬化のおかげで、システムは堅牢なセキュリティ性能を達成している。アンテナ数が非常に多い（$ N_R \gg 1 $）リレーでは、チャネル利得が安定化し、推定誤差の影響が軽減される。
• 導出された容量式から、セキュリティ性能は主に盗聴者のチャネル利得とリレーでのCSIの正確さに制限されており、高SNR領域では送信元の送信電力に依存しないことが示された。