[논문 리뷰] 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)|2016. 05. 15.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도청자 CSI를 요구하지 않고 물리계층 보안을 향상시키기 위해 버퍼 보조 MIMO 리레이 네트워크에서 비밀성 비율 기반 리레이 선택 기법을 제안한다. 완전 탐색과 탐욕 알고리즘을 사용하여 비밀성 비율을 최대화하며, 특히 간섭 제거 기능이 있는 다중 사용자 MIMO 환경에서 기존의 SINR 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 버퍼 보조 리레이를 사용하여 다중 사용자 MIMO 리레이 네트워크의 물리계층 보안을 향상시키기.
• 도청자 채널 상태 정보(CSI)를 완전히 알지 못하는 상황에서 비밀성 비율을 최적화하는 문제 해결.
• 계산 복잡도를 최소화하면서도 비밀성 비율을 최대화하는 리레이 선택 정책 개발.
• 실제 다중 사용자 및 다중 도청자 환경에서 제안된 기법의 성능을 기존 리레이 선택 기준과 비교 평가하기.

제안 방법

• 다중 사용자 MIMO 시스템에서 비밀성 비율을 향상시키기 위해 버퍼 보조 리레이를 활용한 기회적 리레이 및 잡음 방출 기법을 적용.
• 정합 및 도청자 채널 행렬을 포함한 행렬 행렬식 비율을 기반으로 한 비밀성 비율 기반 리레이 선택 기준을 개발.
• 행렬 행렬식 항등식을 활용하여 도청자 CSI에 의존하지 않는 닫힌 형태의 리레이 선택 지표를 유도.
• 완전 탐색 대비 계산 복잡도를 감소시키면서도 높은 비밀성 비율 성능을 유지하기 위해 탐욕적 탐색 알고리즘을 제안.
• 다중 사용자 간섭을 억제하고 신호 대 간섭 및 노이즈 비율을 향상시키기 위해 소스 및 리레이에서 제로포싱 예측 기법을 적용.
• 다수의 리레이, 잡음 방출 장치, 사용자 및 도청자로 구성된 시스템 모델을 사용하며, 각 노드는 다중 안테나를 갖추고 있으며 채널은 레이일리 fading으로 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비밀성 비율 기반 리레이 선택 기준이 버퍼 보조 리레이 네트워크에서 기존의 SINR 기반 선택보다 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ2 도청자 CSI가 알려지지 않은 상황에서 리레이 선택은 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 탐욕적 탐색 알고리즘이 완전 탐색 대비 비밀성 비율 및 복잡도 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 버퍼 보조 리레이 및 잡음 방출 기법이 다중 사용자 MIMO 시스템의 물리계층 보안에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 제안된 시스템에서 리레이 간 간섭(IRI) 제거가 비밀성 비율 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 비밀성 비율 기반 리레이 선택 정책은 평가된 모든 기준 중에서 가장 높은 비밀성 비율을 달성하며, 기존의 SINR 기반 및 최대 비율 선택 방법보다 뚜렷하게 뛰어난 성능을 보인다.
• IRI 제거 기능이 있는 다중 사용자 MIMO 환경에서 제안된 기법은 기존 방법 대비 최대 2.5 bps/Hz의 비밀성 비율 향상을 달성한다.
• 탐욕적 탐색 알고리즘은 완전 탐색 성능에 비해 5% 이내의 비밀성 비율 손실을 견디면서도 계산 복잡도를 60% 이상 감소시킨다.
• 최종 선택 지표가 도청자 채널 행렬식에 의존하지 않기 때문에, 도청자 CSI를 알지 못하는 상황에서도 비밀성 비율 기준이 효과적으로 작동한다.
• 버퍼 보조 리레이 및 잡음 방출 기법의 조합은 특히 IRI 제거 및 제로포싱 예측 기법과 함께 사용될 경우 비밀성 비율 향상에 크게 기여한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 다양한 채널 조건과 시스템 부하 상황에서도 높은 비밀성 비율 성능을 유지함을 확인하였으며, 이는 강건성과 확장성을 입증한다.