[논문 리뷰] Analysis and Design of Secure Massive MIMO Systems in the Presence of Hardware Impairments

Jun Zhu, Derrick Wing Kwan Ng외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 27.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 하드웨어 결함이 있는 조건에서 다운링크 무거운 MIMO 시스템의 기밀 전송률을 분석하고 최적화한다. 기지국에서 위상 노이즈, 추가 왜곡, 수신기 노이즈를 모델링하고, 탈취자 장치는 이상적인 것으로 가정한다. 일반화된 노른자 공간 가짜 노이즈 선형화 기법을 제안하여 위상 노이즈 영향을 완화하고, 낮은 AN 전력 조건에서 추가 왜곡 노이즈가 오히려 기밀 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

To keep the hardware costs of future communications systems manageable, the use of low-cost hardware components is desirable. This is particularly true for the emerging massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems which equip base stations (BSs) with a large number of antenna elements. However, low-cost transceiver designs will further accentuate the hardware impairments which are present in any practical communication system. In this paper, we investigate the impact of hardware impairments on the secrecy performance of downlink massive MIMO systems in the presence of a passive multiple-antenna eavesdropper. Thereby, for the BS and the legitimate users, the joint effects of multiplicative phase noise, additive distortion noise, and amplified receiver noise are taken into account, whereas the eavesdropper is assumed to employ ideal hardware. We derive a lower bound for the ergodic secrecy rate of a given user when matched filter (MF) data precoding and artificial noise (AN) transmission are employed at the BS. Based on the derived analytical expression, we investigate the impact of the various system parameters on the secrecy rate and optimize both the pilot sets used for uplink training and the AN precoding. Our analytical and simulation results reveal that 1) the additive distortion noise at the BS may be beneficial for the secrecy performance, especially if the power assigned for AN emission is not sufficient; 2) all other hardware impairments have a negative impact on the secrecy performance; 3) { extcolor{blue}{despite their susceptibility to pilot interference in the presence of phase noise}}, so-called spatially orthogonal pilot sequences are preferable unless the phase noise is very strong; 4) the proposed generalized null-space (NS) AN precoding method can efficiently mitigate the negative effects of phase noise.

연구 동기 및 목표

• 다운링크 무거운 MIMO 시스템에서 기대 기밀 전송률에 영향을 미치는 하드웨어 결함—위상 노이즈, 추가 왜곡, 수신기 노이즈—의 영향을 분석한다.
• 기지국의 이상적인 하드웨어를 갖춘 탈취자가 신호를 가로채는 상황에서 이러한 결함이 물리계층 보안에 미치는 영향을 조사한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 기밀 전송률을 최대화하기 위해 파ilot 시퀀스와 가짜 노이즈(AN) 선형화를 최적화한다.
• 위상 노이즈의 악영향을 효과적으로 완화할 수 있는 일반화된 노른자 공간(G-NS) AN 선형화 방법을 제안한다.
• 일치 필터 선형화와 불완전한 하드웨어 조건 하에서 AN 전송 시 기대 기밀 전송률에 대한 하한을 유도한다.

제안 방법

• 기대 기밀 전송률에 대한 하한을 유도한다. 이는 하드웨어 결함이 존재하는 조건에서 일치 필터(MF) 선형화와 가짜 노이즈(AN) 전송을 사용할 때 적용된다.
• 기지국 및 사용자 하드웨어 결함을 곱셈적 위상 노이즈와 덧셈적 왜곡 노이즈로 모델링하고, 증폭된 수신기 노이즈를 포함한다.
• 배열을 하위어레이로 분할하여 위상 노이즈 영향을 억제하는 일반화된 노른자 공간(G-NS) AN 선형화 기법을 도입한다.
• 통계적 채널 상태 정보와 대규모 시스템 분석을 사용하여 기밀 전송률과 AN 누설 전력에 대한 닫힌 형식의 표현식을 유도한다.
• 제닝스 부등식과 행렬 농도 결과를 적용하여 탈취자의 수용률을 상한으로 제한하고, 기밀 전송률 분석을 가능하게 한다.
• 업링크 트레이닝을 위한 파ilot 세트와 AN 선형화 설계를 최적화하여 하드웨어 결함 조건 하에서 기밀 성능을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 노이즈, 추가 왜곡, 수신기 노이즈와 같은 다양한 종류의 하드웨어 결함이 무거운 MIMO 시스템의 기밀 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기지국의 추가 왜곡 노이즈가 기밀 성능을 향상시킬 수 있으며, 그 조건은 무엇인가?
• RQ3 위상 노이즈는 기밀 전송률을 어떻게 떨어뜨리며, 고급 선형화 기법으로 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ4 하드웨어 결함 조건 하에서 기밀 전송률을 최대화하기 위해 파ilot 시퀀스와 가짜 노이즈 선형화기를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 일반화된 노른자 공간(G-NS) AN 선형화 기법이 위상 노이즈 존재 조건에서 기존의 노른자 공간 선형화보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 기지국의 추가 왜곡 노이즈는 기밀 성능을 향상시킬 수 있으며, 특히 가짜 노이즈에 할당된 전력이 부족할 경우 두드러진다.
• 위상 노이즈 및 기타 하드웨어 결함(추가 왜곡 제외)은 기밀 전송률을 떨어뜨리며, 특히 위상 노이즈가 가장 치명적인 영향을 미친다.
• 공간적으로 직교적인 파ilot 시퀀스가 트레이닝에 유리하지만, 위상 노이즈가 매우 강력하지 않은 한 위상 노이즈 조건에서 파ilot 간섭에 취약하다.
• 제안된 일반화된 노른자 공간(G-NS) AN 선형화 방법은 하위어레이 구조를 활용하여 위상 노이즈의 악영향을 효과적으로 억제한다.
• 유도된 기대 기밀 전송률 하한은 타당성이 높으며, 현실적인 하드웨어 결함 조건 하에서 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 통계적 독립성과 행렬 농도 결과를 활용하여 탈취자의 수용률을 상한으로 제한함으로써, 해석 가능한 기밀 전송률 분석이 가능해진다.