[논문 리뷰] Secure Wireless Information and Power Transfer in Large-Scale MIMO Relaying Systems with Imperfect CSI

Xiaoming Chen, Jian Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 21.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 가진 대규모 MIMO 수신 증폭-전달(relaying) 시스템에서 안정적인 무선 정보 및 전력 전송 기반의 보안 기술을 제안한다. 불완전한 CSI 하에서의 기밀성 외곽 용량에 대한 명시적 표현을 유도하고, 이 용량을 최대화하기 위해 중계기에서 최적의 전력 분할 기법을 설계함으로써, 도청자 근접성과 채널 추정 오차에도 불구하고 강건한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we address the problem of secure wireless information and power transfer in a large-scale multiple-input multiple-output (LS-MIMO) amplify-and-forward (AF) relaying system. The advantage of LS-MIMO relay is exploited to enhance wireless security, transmission rate and energy efficiency. In particular, the challenging issues incurred by short interception distance and long transfer distance are well addressed simultaneously. Under very practical assumptions, i.e., no eavesdropper's channel state information (CSI) and imperfect legitimate channel CSI, this paper investigates the impact of imperfect CSI, and obtains an explicit expression of the secrecy outage capacity in terms of transmit power and channel condition. Then, we propose an optimal power splitting scheme at the relay to maximize the secrecy outage capacity. Finally, our theoretical claims are validated by simulation results.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 CSI를 가진 대규모 MIMO(LS-MIMO) 수신 증폭-전달(AF) 중계 시스템에서 보안적 무선 정보 및 전력 전송(WIPT)의 과제를 해결한다.
• 장거리 정보/전력 전송과 단거리 도청 공격이라는 이중 문제를 다루며, 이는 실용적 구현에 있어 핵심적인 요소이다.
• 불완전한 CSI 하에서 기밀성 외곽 용량을 최대화하기 위해 중계기에서 전력 분할 기법을 개발한다. 이때 도청자에 대한 CSI는 제공되지 않는다.
• 실제 시스템 조건에서 송신 전력, CSI 정확도, 전송 거리가 기밀성 성능에 미치는 영향을 분석한다.

제안 방법

• 단일 안테나를 갖는 소스, 목적지, 도청자와 다수 안테나를 갖는 중계기를 포함하는 시간분할이중성(TDD) LS-MIMO AF 중계 시스템을 수립한다.
• 중계기를 통해 수신 신호를 에너지 수확 및 정보 처리 흐름으로 분할하기 위해 전력 분할 비율 θ를 모델링한다.
• 채널 경화성 하에서 점근적 분석를 통해 송신 전력, CSI 정확도(ρ), 시스템 파라미터에 대한 기밀성 외곽 용량의 명시적 표현을 도출한다.
• 대규모 시스템 분석을 적용하여 도청자의 채널 이득 분포를 근사화하며, 안테나 수가 증가할수록 중계기의 채널 추정 정확도가 점차 향상됨을 활용한다.
• 도청자의 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)의 누적분포함수(CDF)를 이용해 기밀성 외곽 확률을 계산한다.
• 불완전한 CSI 하에서 용량의 닫힌 형태 표현에서 유도된 최적의 전력 분할 비율 θ를 제안하며, 이는 기밀성 외곽 용량을 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합법적 중계기에서의 불완전한 CSI는 LS-MIMO AF 중계 시스템에서 기밀성 외곽 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 도청자 CSI가 없고 합법적 CSI가 불완전한 조건에서 기밀성 외곽 용량을 최대화하기 위한 중계기에서의 최적 전력 분할 비율은 무엇인가?
• RQ3 송신 전력, 중계기 안테나 수, 채널 추정 정확도가 함께 기밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 수확과 보안적 정보 전송 간의 상충 관계를 반영할 수 있는 닫힌 형태의 기밀성 외곽 용량을 유도할 수 있는가?
• RQ5 고전력 전송 영역에서 기밀성 외곽 용량이 포화 상태에 도달하는가? 만약 그렇다면 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서 지배적인 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 기밀성 외곽 용량은 $ C_{SOC} = W\text{log}_2\left(1 + \frac{a\theta(1-\theta)\rho N_R^3}{b\theta\rho N_R^2 + c(1-\theta)N_R + 1}\right) - W\text{log}_2\left(1 + \frac{e\theta(1-\theta)N_R^2\ln\varepsilon}{f\theta N_R\ln\varepsilon - c(1-\theta)N_R - 1}\right) $ 라는 닫힌 형태로 유도되었으며, 이는 CSI 정확도 및 시스템 파라미터의 영향을 명시적으로 반영한다.
• 고전력 전송 영역에서 기밀성 외곽 용량은 소스의 송신 전력 $ P_S $ 와 독립적이며, 간섭과 채널 추정 오차로 인한 포화 현상을 나타낸다.
• 기밀성 외곽 용량을 최대화하기 위해 최적의 전력 분할 비율 θ가 유도되었으며, 이는 불완전한 CSI 하에서 에너지 수확과 정보 전달 간의 균형을 맞춘다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 분석을 검증하며, 특히 불완전한 CSI 조건에서 기존 기법 대비 제안된 기법이 기밀성 성능을 크게 향상시킴을 확인한다.
• 대규모 MIMO에서의 채널 경화성 덕분에 시스템은 강건한 기밀성 성능를 달성한다. 이는 중계기 안테나 수가 매우 많을 때($ N_R \gg 1 $) 채널 이득이 안정화되고 추정 오차의 영향이 감소하기 때문이다.
• 유도된 용량 표현은 기밀성 성능가 주로 도청자의 채널 이득과 중계기에서의 CSI 정확도에 의해 제한되며, 고신호대노이즈비 영역에서는 소스의 송신 전력에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다.