[논문 리뷰] Sum Secrecy Rate in Full-Duplex Wiretap Channel with Imperfect CSI

Sanjay Vishwakarma, A. Chockalingam|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 15.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 안테나 사용자와 탈취자로 구성된 풀드업렉스 웨이트랩 채널에서 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 조건 하에서의 합 secrecy rate를 조사한다. CSI 오차가 가용 가능한 secrecy rate 영역을 감소시키며, 오차 범위가 클수록 성능 저하가 발생함을 보여주기 위해, 메시지 및 인공 잡음 신호의 전력 분배를 공동으로 최적화하여 합 secrecy rate를 극대화하는 설립형 프로그래밍(SDP) 문제를 수립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 CSI 조건 하에서 풀드업렉스 양방향 웨이트랩 채널의 가용 가능한 합 secrecy rate 영역을 규명한다.
• 개별 전력 제약 조건 하에서 메시지 신호 및 인공 잡음 신호의 전송 전력을 최적화하여 secrecy rate를 극대화한다.
• 제한된 CSI 오차가 secrecy rate 영역과 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• CSI 불확실성 하에서도 완벽한 secrecy를 보장하는 설립형 프로그래밍(SDP) 공식을 유도한다.

제안 방법

• 단일 안테나 송신기, 수신기 및 탈취자를 갖춘 풀드업렉스 이중 사용자 웨이트랩 채널을 수립한다.
• 양측 송신기에 인공 잡음 신호를 도입하여 탈취자의 채널을 악화시키고 secrecy를 향상시킨다.
• CSI 오차를 추정된 채널 이득 주변의 유한한 절대 편차로 모델링하며, 오차 범위는 ε로 표기한다.
• 완벽한 secrecy 제약 조건 하에서 합 secrecy rate를 극대화하기 위한 설립형 프로그래밍(SDP) 문제를 유도한다.
• S-lemma와 Schur 보조정리를 사용하여 확률적 제약 조건을 처리 가능한 볼록 SDP 제약 조건으로 변환한다.
• 최소 가용 가능한 secrecy rate 임계값을 확보하기 위해 최종 SDP 문제를 이분법 검색을 통해 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI는 풀드업렉스 양방향 웨이트랩 채널에서의 가용 가능한 합 secrecy rate 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전력 제약 조건과 CSI 불확실성 하에서 메시지 및 잡음 신호의 최적 전력 분배 전략은 무엇인가?
• RQ3 합법자 및 탈취자 채널의 제한된 CSI 오차는 secrecy rate 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 설립형 프로그래밍은 불완전한 CSI 조건 하에서 보장된 완벽한 secrecy를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• CSI 오차의 크기가 커질수록 가용 가능한 secrecy rate 영역이 축소되며, 채널 불확실성으로 인한 직접적인 성능 저하가 확인된다.
• 전송 전력을 3 dB에서 6 dB로 증가시키면 더 넓은 가용 가능한 secrecy rate 영역을 확보할 수 있으며, 이는 불완전한 CSI 조건 하에서 높은 전력이 유리함을 확인한다.
• 제안된 SDP 기반 최적화 프레임워크는 완벽한 secrecy 제약 조건 하에서 메시지 및 잡음 신호의 최적 전력 분배를 성공적으로 계산한다.
• 수치적 결과는 조그만 CSI 오차(예: ε = 0.04)라도 합 secrecy rate를 상당히 감소시키며, secrecy 성능이 CSI 정확도에 매우 민감함을 입증한다.
• secrecy rate 영역은 SDP 문제에 대한 이분법 검색을 통해 확보된 최소 가용 가능한 secrecy rate 임계값에 의해 경계된다.
• 인공 잡음 신호의 사용은 특히 불완전한 CSI 조건 하에서 탈취자 채널을 악화시켜 secrecy를 향상시킨다.