[논문 리뷰] User-Centric Distributed Antenna Transmission: Secure Precoding and Antenna Selection with Interference Exploitation

Zhongxiang Wei, Christos Masouros|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 12.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 사용자 중심의 전력 효율적인 분산 안테나 시스템을 제안하며, 총 전송 전력을 최소화하면서 물리계층 보안을 확보하기 위해 안테나 선택과 안전한 프리코딩을 공동 최적화한다. 가짜 노이즈(AN)를 의도한 수신기와 건설적으로 정렬하고, 도청자들과는 파괴적으로 정렬함으로써, 도청자들의 채널 상태 정보(CSI)가 불완전하거나 알려져 있지 않은 상황에서도 유의미한 전력 절감을 달성한다. 중심화된 시스템과 전통적인 분산 시스템에 비해 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

We address physical layer security in distributed antenna (DA) systems, where eavesdroppers (Eves) can intercept the information transmitted for the intended receiver (IR). To realize a user-centric, power-efficient and physical layer security-addressing system, we aim at minimizing total power consumption by jointly designing DA selection and secure precoding. Different from the conventional artificial noise (AN)-aided secure transmission, where AN is treated as an undesired element for the IR, we design AN such that it is constructive to the IR while keeping destructive to the Eves. Importantly, we investigate two practical scenarios, where the IR and Eves' channel state information (CSI) is imperfectly obtained or the Eves' CSI is completely unknown. To handle the CSI uncertainties, we solve the problems in probabilistic and deterministic robust optimization respectively, both satisfying the IR' signal-to-interference-and-ratio (SINR) requirement by use of constructive AN and addressing security against the Eves. Simulation results demonstrate our algorithms consume much less power compared to the centralized antenna (CA) systems with/without antenna selection, as well as the DA systems with conventional AN processing. Last but not least, by the proposed algorithms, the activation of DAs closely relates to users' locations and quality-of-service (QoS) requirements, featuring a user-centric and on-demand structure.

연구 동기 및 목표

• 도청자(Eves)가 의도한 사용자 신호를 간섭할 수 있는 분산 안테나(DA) 시스템에서 물리계층 보안 문제를 해결한다.
• 분산 안테나 선택과 안전한 프리코딩의 공동 최적화를 통해 총 전력 소비를 최소화한다.
• 인위적 노이즈(AN)를 의도한 수신기(IR)에 건설적으로 유리하게 설계하면서 도청자들에게 해로운 영향을 주도록 하여, 기존의 AN 처리 방식을 뒤집는다.
• 불완전하거나 완전히 알려지지 않은 도청자들의 채널 상태 정보(CSI)가 존재하는 실용적 상황을 고려해 강건한 최적화를 적용한다.
• 사용자 위치와 QoS 요구사항에 따라 DA 활성화 여부가 결정되는 사용자 중심의, 요구에 따라 작동하는 네트워크 아키텍처를 실현한다.

제안 방법

• 불완전한 도청자 CSI 상황을 고려한 확률적 제약 조건을 가진 강건 최적화 문제를 수립하여, SINR 요구사항이 통계적으로 충족되도록 보장한다.
• 도청자 CSI가 전혀 알려져 있지 않은 경우를 대비해 결정론적 강건 최적화 문제를 개발하여, 최악의 상황에서도 SINR 제약 조건을 보장한다.
• 프리코딩 과정에 건설적 인위적 노이즈(AN) 설계를 통합하여, 의도한 수신기의 SINR을 향상시키고 도청자의 수신 품질을 악화시킨다.
• 안테나 선택 벡터와 프리코딩 비음향기구를 동시에 최적화하기 위해 이중 단계 반복 알고리즘을 적용한다.
• 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 정수형 강화와 순차적 볼록 근사 기법을 활용한다.
• 사용자 위치 기반 및 QoS 기반 선택 기반으로 사용자 근처의 DA만 활성화함으로써 전력 효율성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도청자들의 CSI가 불완전하거나 알려져 있지 않은 상황에서 분산 안테나 시스템은 어떻게 안전하고 전력 효율적인 전송을 달성할 수 있는가?
• RQ2 인위적 노이즈를 순수하게 파괴적인 영향을 주는 것이 아니라, 의도한 수신기에게 건설적으로 유리하게 설계할 수 있는가?
• RQ3 사용자 중심의 안테나 선택이 DA 시스템에서 전력 소비와 보안 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 확률적 및 결정론적 강건 최적화 전략은 전력 효율성과 보안 보장 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 사용자 위치에 관계없이 낮은 전력 소비를 유지하면서도 QoS와 보안을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 안테나 선택 여부에 관계없이 중심화된 안테나(CA) 시스템에 비해 총 전력 소비를 유의미하게 감소시킨다.
• DA-imperfect-prob 및 DA-unknown-prob 알고리즘은 등방성 또는 공간적 AN을 사용하는 기존의 DA 시스템보다 낮은 전력 소비를 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 의도한 수신기의 SINR이 건설적 영역에 유지되고, 도청자들의 SINR이 파괴적 영역으로 밀려나가며 보안이 확보됨을 확인한다.
• 알고리즘이 5회 이내에 수렴하여 낮은 계산 복잡도와 실용적 타당성을 입증한다.
• 안테나 활성화가 사용자 위치에 따라 동적으로 연동되어, 민첩하고 요구에 따라 작동하는 사용자 중심의 네트워크 아키텍처를 실현한다.
• 불완전하거나 알려지지 않은 도청자 CSI 상황에서도 강건 최적화를 통해 강력한 보안성과 QoS 성능을 유지한다.