[論文レビュー] Securing Visible Light Communication Systems by Beamforming in the Presence of Randomly Distributed Eavesdroppers

Sung Hwan Cho, Gaojie Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、複数のLED送信機と1台のユーザー設備（UE）を備えた可視光通信（VLC）システムに対して、盗聴者（ED）の位置に関する統計的情報のみを用いて、ランダムに配置されたEDからの送信を防ぐ最適ビームフォーミング方式を提案する。EDプロセスの強度と目的チャネルに基づいてビームフォーミングを最適化することで、LED選択法と比較して優れたセキュリティ性能を達成し、セキュリティアウトージー確率（SOP）の閉形式近似式を、セキュリティ容量の上限を用いて導出する。

ABSTRACT

This paper considers secrecy enhancement mechanisms in visible light communication (VLC) systems with spatially distributed passive eavesdroppers (EDs) under the assumption that there are multiple LED transmitters and one legitimate receiver (UE). Based on certain amplitude constraints, we propose an optimal beamforming scheme to optimize secrecy performance. Contrary to the case where null-steering is made possible by using knowledge of the ED locations, we show that the optimal solution when only statistical information about ED locations is available directs the transmission along a particular eigenmode related to the intensity of the ED process and the intended channel. Then, a sub-optimal LED selection scheme is provided to reduce the secrecy outage probability (SOP). An approximate closed-form for the SOP is derived by using secrecy capacity bounds. All analysis is numerically verified by Monte Carlo simulations. The analysis shows that the optimal beamformer yields superior performance to LED selection. However, LED selection is still a highly efficient suboptimal scheme due to the complexity associated with the use of multiple transmitters in the full beamforming approach. These performance trends and exact relations between system parameters can be used to develop a secure VLC system in the presence of randomly distributed EDs.

研究の動機と目的

• 盗聴者の位置が未知であるが空間的強度は既知であるようなVLC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。
• 盗聴者分布に関する統計的情報のみが利用可能な状況下で、振幅制約のもとでセキュリティ性能を最大化するビームフォーミング戦略の設計を目的とする。
• 完全ビームフォーミングよりも低コストで、セキュリティアウトージー確率（SOP）を低減するサブオプティマルなLED選択方式の提案を目的とする。
• LED選択方式下で、セキュリティ容量の上限を用いてSOPの近似閉形式式を導出することを目的とする。
• モンテカルロシミュレーションを用いて理論的分析を検証し、ベンチマーク方式と性能を比較することを目的とする。

提案手法

• 振幅制約のもとで、SNR やセキュリティ容量の上限といったセキュリティ性能指標を最大化するように最適ビームフォーマーを導出する。この際、目的チャネルの主要固有モードとEDプロセスの強度の統計的情報を用いる。
• 盗聴者を作業平面に均一なポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、最近接EDまでの最小距離の確率的解析を可能にする。
• 距離の関数としてパスロスモデル（指数m+3）を用い、DCバイアスとLED出力の両方を組み込むことで、UEにおける信号対雑音比（SNR）をモデル化する。
• セキュリティアウトージー確率（SOP）は、セキュリティ容量の上限を用いて解析され、面積関数A(d)を区分的線形関数で近似することで、閉形式の近似式が導出される。
• 複雑度を低減しつつ良好なセキュリティ性能を維持できる、UEに最も近い送信機を選択するサブオプティマルなLED選択方式を提案する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、解析結果の数値的妥当性を検証し、最適ビームフォーミングとLED選択方式の性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者の位置が未知であるが空間的強度が既知である場合、VLCシステムにおける物理層セキュリティをどのように向上できるか？
• RQ2 盗聴者分布に関する統計的情報のみが利用可能な状況下で、振幅制約のもとでセキュリティ性能を最大化する最適ビームフォーミング戦略は何か？
• RQ3 最適ビームフォーマーの性能は、低複雑度のLED選択方式と比較して、セキュリティアウトージー確率の観点でどの程度優れているか？
• RQ4 LED選択方式下で、セキュリティ容量の上限を用いてSOPの閉形式近似式を導出できるか？
• RQ5 LED強度、ユーザー距離、盗聴者密度といったシステムパラメータがセキュリティ性能に与える影響は何か？

主な発見

• 目的チャネルの主要固有モードとEDプロセス強度に基づいて導出された最適ビームフォーマーは、LED選択法と比較して優れたセキュリティ性能を達成する。
• 提案されたLED選択方式は、複雑度を顕著に低減しつつも、特にUEがLEDの一つに近接している場合に優れたセキュリティ性能を維持する。
• LED選択方式下で、セキュリティアウトージー確率（SOP）の閉形式近似式が導出され、効率的なシステム設計とパrameter最適化が可能になる。
• モンテカルロシミュレーションの結果、最適ビームフォーミング方式はSOPの観点でLED選択方式を上回ることが確認され、UEが送信機に近づくに従い性能差が縮小する。
• 解析的なSOP上限がシミュレーション結果とよく一致しており、導出された式の正確性が裏付けられる。
• 本研究では、最適ビームフォーマーの性能が盗聴者位置の不確実性に対してロバストであることが示され、屋内オープン環境における実用的VLC展開に適していることが明らかになった。