[論文レビュー] Cooperative Jamming for Wireless Physical Layer Security

Lun Dong, Zhu Han+2 more|ArXiv.org|Jul 28, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 8被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、マルチアンテナリレーめいて、無線ネットワークにおける物理層セキュリティを向上させる協調ジャミング方式を提案する。合法受信機でのジャミング信号をノルム化するようにビームフォーミング重みを設計し、盗聴者における干渉を最大化することで、特に盗聴者がリレーより近い場合に、完全なCSIを前提とした秘匿レート最大化および電力最小化の制約下で、秘匿レートを顕著に向上させる。

ABSTRACT

Cooperative jamming is an approach that has been recently proposed for improving physical layer based security for wireless networks in the presence of an eavesdropper. While the source transmits its message to its destination, a relay node transmits a jamming signal to create interference at the eavesdropper. In this paper, a scenario in which the relay is equipped with multiple antennas is considered. A novel system design is proposed for determining the antenna weights and transmit power of source and relay, so that the system secrecy rate is maximized subject to a total transmit power constraint, or, the transmit power is minimized subject to a secrecy rate constraint. Since the optimal solutions to these problems are difficult to obtain, suboptimal closed-form solutions are proposed that introduce an additional constraint, i.e., the complete nulling of jamming signal at the destination.

研究の動機と目的

• 盗聴者チャネルが合法チャネルを上回るような劣悪なチャネル状態において、従来の物理層セキュリティの限界を是正する。
• 単一アンテナシステムにおける秘匿レートアウトージャン問題を、マルチアンテナリレーむ協調ジャミングにより克服する。
• 総電力制約下で、送信元およびリレーキャリアの送信電力とリレーのビームフォーミング重みを共同最適化し、秘匿レートを最大化するシステムを設計する。
• 目標秘匿レートを達成する条件下で、ジャミング信号を受信側で完全にノルム化するビームフォーミングを用いて、総送信電力を最小化する。
• 解の解析的扱いやすさと性能の両立を図るため、受信側での完全なジャミングノルム化という実用的制約のもとで、部分最適な閉形式解を提供する。

提案手法

• 送信元がメッセージを送信し、リレーがビームフォーミングを用いてジャミング信号を送信するマルチアンテナリレーシステムを定式化する。
• 干渉を避けるために、受信側でのジャミング信号を完全にノルム化する制約を課し、閉形式のビームフォーミング設計を可能にする。
• グローバルなCSIを前提として、凸最適化技術を用いてビームフォーミング重みと電力割り当てを最適化する。
• 総電力制約下での秘匿レート最大化および秘匿レート制約下での電力最小化について、閉形式解を導出する。
• 秘匿レート制約下での最適な送信元電力割り当てを二次計画法で解き、チャネル利得とノイズ電力を含む導出式を用いる。
• シミュレーションの妥当性を検証するため、パスロス指数3.5の視線路損失モデルと一様位相フェージングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者チャネルが合法チャネルを上回る状況下で、マルチアンテナリレーを用いた協調ジャミングが、どのように秘匿レートを向上させるか？
• RQ2 総送信電力制約下で、どのようなビームフォーミングおよび電力割り当て戦略が秘匿レートを最大化するか？
• RQ3 目標秘匿レートを維持する条件下で、どのようにして総送信電力を最小化できるか？
• RQ4 マルチアンテナリレーを用いた協調ジャミングは、直接送信に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 盗聴者がリレーに対して相対的にどの位置にいるかが、秘匿レートおよび電力効率にどのように影響するか？

主な発見

• マルチアンテナリレーを用いた協調ジャミングは、特に盗聴者がリレーに近い場合に、秘匿レートを顕著に向上させる。
• 盗聴者が送信元より受信側に近い場合、直接送信の秘匿レートはゼロとなるが、協調ジャミングにより、このような状況でも正の秘匿レートが回復される。
• 盗聴者がリレーに近い場合、わずかなジャミング電力でも十分な干渉を生み出し、メッセージ信号に割り当てられる電力を増やせる。その結果、秘匿レートが向上する。
• 盗聴者が送信元およびリレーから遠ざかるにつれて、秘匿レートは一時的に低下するが、最終的にはジャミング電力の必要性が減少するため、直接送信のレートに一致するようになる。
• リレーのアンテナ数を増やすことで、常に秘匿レートが向上する。これはビームフォーミング利得および干渉ノルム化能力の向上によるものである。
• 受信側での完全なジャミングノルム化を前提とした、部分最適なビームフォーミング設計は、閉形式解と低計算量を実現しながら、ほぼ最適性能を達成する。