[論文レビュー] Sum Secrecy Rate in Full-Duplex Wiretap Channel with Imperfect CSI

Sanjay Vishwakarma, A. Chockalingam|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報（CSI）下での単一アンテナユーザーおよび盗聴者を有するフルデュプレックスワイヤテイプチャネルにおける和秘密スループットの性能を調査する。CSI誤差が実現可能な秘密スループット領域を縮小することを示し、誤差の上限が大きくなるほど性能が劣化することを明らかにした。和秘密スループットを最大化するため、メッセージ信号および人工ジャミング信号のパワーを共同最適化する半定値計画（SDP）問題を定式化した。

ABSTRACT

In this paper, we consider the achievable sum secrecy rate in full-duplex wiretap channel in the presence of an eavesdropper and imperfect channel state information (CSI). We assume that the users participating in full-duplex communication and the eavesdropper have single antenna each. The users have individual transmit power constraints. They also transmit jamming signals to improve the secrecy rates. We obtain the achievable perfect secrecy rate region by maximizing the sum secrecy rate. We also obtain the corresponding optimum powers of the message signals and the jamming signals. Numerical results that show the impact of imperfect CSI on the achievable secrecy rate region are presented.

研究の動機と目的

• 不完全なCSIを伴うフルデュプレックス双方向ワイヤテイプチャネルにおける実現可能な和秘密スループット領域を同定すること。
• 個々のパワー制約下で、メッセージ信号および人工ジャミング信号の送信パワーを最適化し、秘密スループットを最大化すること。
• 有界なCSI誤差が秘密スループット領域およびシステム性能に与える影響を分析すること。
• CSIの不確実性下でも完全な秘密性を保証する半定値計画（SDP）定式化を導出すること。

提案手法

• 単一アンテナ送信機、受信機および盗聴者を有するフルデュプレックス2ユーザー・ワイヤテイプチャネルを定式化する。
• 両送信機に人工ジャミング信号を導入し、盗聴者のチャネルを劣化させ、秘密性を向上させる。
• CSI誤差を推定されたチャネルゲインの有界な絶対偏差としてモデル化し、誤差の上限をεで表す。
• 完全な秘密性制約下で和秘密スループットを最大化するための半定値計画（SDP）問題を導出する。
• S-lemmaおよびシュール補完を用いて、確率的制約を扱いやすい凸SDP制約に変換する。
• 得られたSDP問題の最小実現可能秘密スループット閾値を求めるために二分探索法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIは、フルデュプレックス双方向ワイヤテイプチャネルにおける実現可能な和秘密スループット領域にどのように影響を与えるか？
• RQ2 パワー制約およびCSIの不確実性下で、和秘密スループットを最大化するためのメッセージ信号およびジャミング信号の最適パワー割り当て戦略は何か？
• RQ3 正当なチャネルおよび盗聴者チャネルにおける有界なCSI誤差は、秘密スループット性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 不完全なCSI下で、保証された完全な秘密性を満たす条件下で、半定値計画法を用いて秘密スループット領域を効果的に計算できるか？

主な発見

• CSI誤差の大きさが増加するにつれて、実現可能な秘密スループット領域が縮小することが示され、チャネル不確実性による直接的な性能劣化が確認された。
• 送信パワーを3 dBから6 dBに増加させると、実現可能な秘密スループット領域が拡大することが確認され、不完全なCSI下でも高パワーが有効であることが裏付けられた。
• 提案されたSDPに基づく最適化フレームワークは、完全な秘密性制約下でメッセージ信号およびジャミング信号の最適パワー割り当てを効果的に計算できた。
• 数値結果から、わずかなCSI誤差（例：ε = 0.04）ですら和秘密スループットを顕著に低下させることを示し、秘密性能がCSIの正確さに極めて敏感であることが明らかになった。
• 秘密スループット領域は、SDP問題に対する二分探索により得られる最小実現可能秘密スループット閾値によって規定される。
• 人工ジャミング信号の使用により、特に不完全なCSI条件下で盗聴者のチャネルが劣化し、秘密性が向上することが確認された。