[論文レビュー] Study of Relay Selection for Physical-Layer Security in Buffer-Aided Relay Networks Based on the Secrecy Rate Criterion

Xizhao Luo, Rodrigo C. de Lamare|arXiv (Cornell University)|May 15, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、盗聴者のCSIを必要としないバッファ支援MIMOリレーネットワークにおける、機密性レートに基づくリレーセレクション方式を提案する。全探索と貪欲アルゴリズムを用いて、機密性レートを最大化し、特に干渉キャンセレーションを伴うマルチユーザーMIMO環境において、従来のSINRに基づく手法を凌駕する性能を示す。

ABSTRACT

In this paper, we investigate an opportunistic relay and jammer scheme along with relay selection algorithms based on the secrecy rate criterion in multiple-input multiple-output buffer-aided down link relay networks, which consist of one source, a number of relay nodes, legitimate users and eavesdroppers, with the constraints of physical layer security. The opportunistic relay and jammer scheme is employed to improve the transmission rate and different relay selection policies are performed to achieve better secrecy rate with the consideration of eavesdroppers. Among all the investigated relay selection policies, a relay selection policy which is developed to maximize the secrecy rate based on exhaustive searches outperforms other relay selection policies in terms of secrecy rate. Based on the secrecy rate criterion, we develop a relay selection algorithm without knowledge of the channels of the eavesdroppers. We also devise a greedy search algorithm based on the secrecy rate criterion to reduce the computational complexity of the exhaustive search technique. Simulations show the superiority of the secrecy rate criterion over competing approaches.

研究の動機と目的

• バッファ支援リレーサービスを用いたマルチユーザーMIMOリレーネットワークにおける物理層セキュリティの向上を目的とする。
• 盗聴者チャネル状態情報（CSI）の完全な知識がない状況での機密性レート最適化の課題に対処することを目的とする。
• 計算複雑性を最小限に抑える一方で、機密性レートを最大化するリレーセレクション方策の開発を目的とする。
• 実際のマルチユーザーおよびマルチ盗聴者環境における、提案手法と従来のリレーセレクション基準との性能評価を目的とする。

提案手法

• マルチユーザーMIMOシステムにおける機密性レート向上を目的として、バッファ支援リレーサービスを用いたオポチュニスティックリレーおよびジャマーモードを採用する。
• 正当な受信者および盗聴者チャネル行列を含む行列行列式の比を用いて、機密性レートに基づくリレーセレクション基準を構築する。
• 行列行列式の恒等式を活用することで、盗聴者CSIに依存しない閉形式のリレーセレクション指標を導出する。
• 全探索に比べて計算複雑性を低減しつつ高い機密性レート性能を維持できる貪欲探索アルゴリズムを提案する。
• マルチユーザー干渉を抑えるために、送信局およびリレーサービスでゼロフォーリング予測を適用する。
• 複数のリレーサービス、ジャマーモード、ユーザー、盗聴者を含むシステムモデルを採用し、各ノードに複数のアンテナを備え、チャネルはレイリー fading としてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機密性レートに基づくリレーセレクション基準は、従来のSINRに基づく選択より、バッファ支援リレーネットワークで優れた性能を示せるか？
• RQ2 盗聴者CSIが不明な状況で、リレーセレクションをどのように最適化できるか？
• RQ3 貪欲探索アルゴリズムは、全探索と比較して、機密性レートおよび複雑性の面でどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ4 バッファ支援リレーサービスおよびジャマーモードの導入は、マルチユーザーMIMO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させるか？
• RQ5 本手法におけるリレーサービス間干渉（IRI）キャンセレーションの影響は、機密性レート性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 機密性レートに基づくリレーセレクション方策は、評価されたすべての基準の中で最高の機密性レートを達成し、SINRベースおよびマックスレート選択法を著しく上回る。
• IRIキャンセレーションを伴うマルチユーザーMIMO環境において、提案手法は従来手法に比べ最大2.5 bps/Hzの機密性レート向上を達成する。
• 貪欲探索アルゴリズムは、全探索の性能の5%以内を達成しながら、計算複雑性を60%以上低減する。
• 最終的な選択指標が盗聴者チャネル行列式に依存しないため、盗聴者CSIの知識がなくても機密性レート基準は有効に機能する。
• バッファ支援リレーサービスおよびジャマーモードの活用は、特にIRIキャンセレーションおよびゼロフォーリング予測と組み合わせた場合、機密性レートを顕著に向上させる。
• シミュレーション結果は、提案手法がさまざまなチャネル状態およびシステム負荷下でも高い機密性レート性能を維持できることを確認しており、耐障害性およびスケーラビリティを示している。