[論文レビュー] Channel-Correlation-Enabled Transmit Optimization for MISO Wiretap Channels

Shuai Han, Sai Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、相関するメインチャネルと盗聴チャネルを有するMISO盗聴チャネルにおける、チャネル相関を活用した人工雑音（AN）支援ビームフォーミング方式を提案する。盗聴チャネルを受信機側の相関に基づく決定的成分とランダム成分の組み合わせとしてモデル化することで、送信パワー制約およびセキュリティアウトアージュ制約のもとで、情報ビームフォーマと非一様なANパワー割り当てをメインチャネルのノイズ空間に最適化し、大幅に高いセキュリティレートを達成する。

ABSTRACT

An artificial-noise (AN)-aided beamformer specific to correlated main and wiretap channels is designed in this paper. We consider slow-fading multiple-input-single-output (MISO) wiretap channels with a passive single-antenna eavesdropper, in which independent transmitter-side and correlated receiver-side are assumed. Additionally, the source has accurate main channel information and statistical wiretap channel information. To reduce the secrecy loss due to receiver-side correlation, this paper proposes the scheme of channel-correlation-enabled transmit optimization. Particularly, the correlation is viewed as a resource to acquire more knowledge about wiretap channel. Based on this, the statistical distribution of wiretap channel is described more precisely. Then, the power of AN in the null space of main channel is placed more reasonably instead of simple uniform distribution and an elaborate beamformer for the information-bearing signal is designed. Finally, an efficient algorithm for power allocation between the information-bearing signal and the AN is developed. Simulation results show that the secrecy rate under transmit power and secrecy outage constraint is improved.

研究の動機と目的

• 受信機側の相関によって引き起こされるセキュリティレートの低下を是正すること。
• 独立なメインチャネルと盗聴チャネルを仮定する従来のAN支援ビームフォーミングの限界を克服すること。
• チャネル相関を悪影響要因ではなく、セキュリティ性能の向上に活用するリソースとして活用すること。
• セキュリティアウトアージュおよび送信パワー制約のもとで、情報信号と人工雑音の間の効率的パワー割り当てアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 受信機側の相関に基づき、盗聴チャネルを決定的成分（相関に基づく）とランダム成分の和としてモデル化し、正確な統計的記述を可能にする。
• 情報信号の指向性を最適化すると同時に、メインチャネルのノイズ空間に非一様にANパワーを配置するビームフォーミング設計を定式化する。
• 相関構造を活用して盗聴チャネルのより正確な統計モデルを導出し、ANパワー割り当ての精度を向上させる。
• セキュリティアウトアージュおよびパワー制約を満たすように、情報信号とAN間のパワー割り当てのための効率的反復アルゴリズムを開発する。
• 実用的システム制約のもとで、相関に配慮したモデルをセキュリティレート最大化フレームワークに統合する。
• 近似最適性能を確認するため、ブルートフォース探索と比較して、低複雑性であることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メインチャネルと盗聴チャネルの受信機側相関をどのように活用して物理層セキュリティを向上させることができるか？
• RQ2 相関が存在する状況で、メインチャネルのノイズ空間におけるANパワーの最適な分配方法は何か？
• RQ3 相関に配慮したビームフォーミングは、従来の均一なAN分配と比較して、セキュリティレートおよびアウトアージュ性能でどのように異なるか？
• RQ4 低複雑性アルゴリズムは、相関およびパワー制約のもとでブルートフォース探索に近いセキュリティレート性能を達成できるか？
• RQ5 送信アンテナ数および送信パワーの増加が、相関するMISO盗聴チャネルにおけるセキュリティレートに与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、盗聴チャネルのモデル化がより正確であるため、相関が高くなるほど従来のAN支援ビームフォーミングよりも高いセキュリティレートを達成する。
• 総送信パワーが10 dBWで、セキュリティアウトアージュ確率が0.15の場合、提案手法は特に高相関状況で従来手法を上回る性能を示す。
• 送信パワーを12 dBWから15 dBWに増加させたとき、セキュリティレートは約25%上昇するが、高パワー領域では収益逓減の傾向が顕著になる。
• 送信アンテナ数の増加に伴いセキュリティレートが向上する。これは、より多くの空間自由度が得られるためであり、提案手法は常に従来手法を上回る。
• 提案アルゴリズムはブルートフォース探索に非常に近いセキュリティレート性能を達成しており、有効性と低計算複雑性を確認できる。
• さまざまな相関レベルにわたり、性能が理論的最適値に近づくというロバストネスを示している。