[論文レビュー] User-Centric Distributed Antenna Transmission: Secure Precoding and Antenna Selection with Interference Exploitation

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

Wireless Communication Security Techniques参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、物理層セキュリティを確保しながら総送信電力を最小化するユーザ中心型で電力効率の高い分散アンテナシステムを提案する。人工雑音（AN）を意図した受信者と建設的に整合させ、盗聴者と破壊的に整合させることで、盗聴者のCSIが不正確または未知であっても、集中型および従来の分散システムと比較して顕著な電力節約を達成する。

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.

研究の動機と目的

• 盗聴者（Eves）が意図したユーザーの信号を傍受可能な分散アンテナ（DA）システムにおける物理層セキュリティを対象とする。
• 分散アンテナ選択とセキュアプレフィアビングの共同最適化により、総電力消費を最小化する。
• 人工雑音（AN）を、従来の破壊的扱いとは逆に、意図した受信者（IR）に対して建設的に有益になるように設計する。
• ロバスト最適化を用いて、不正確または完全に未知のEvesのチャネル状態情報（CSI）を扱う実用的状況に対応する。
• ユーザーの位置とQoS要件に応じてDAの活性化が行われる、ユーザ中心型でオンデマンドのネットワーク構造を実現する。

提案手法

• 不正確なEvesのCSIを想定する状況に対して、SINR要件の統計的満たしを保証する確率制約付きロバスト最適化を定式化する。
• EvesのCSIが完全に未知の状況に対して、最悪ケースSINR制約を保証する決定的ロバスト最適化を構築する。
• 受信者のSINRを向上させると同時に盗聴者の受信を劣化させるために、プレフィアビングプロセスに建設的AN設計を統合する。
• アンテナ選択ベクトルとプレフィアビングビームフォーマーを同時に最適化する2段階反復アルゴリズムを適用する。
• 非凸最適化問題を効率的に解くために、半定値緩和と逐次凸近似を用いる。
• ユーザーの位置とQoS駆動による選択に基づき、ユーザーに近いDAのみを活性化することで、電力効率を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EvesのCSIが不正確または未知である状況下で、分散アンテナシステムはどのようにして安全で電力効率の高い送信を達成できるか？
• RQ2 人工雑音を、単に破壊的であるのではなく、意図した受信者に対して建設的に有益になるように設計できるか？
• RQ3 ユーザ中心型アンテナ選択は、DAシステムにおける電力消費とセキュリティ性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 確率的および決定的ロバスト最適化戦略は、電力効率とセキュリティ保証の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 提案手法は、ユーザーの位置が変化しても、QoSおよびセキュリティを確保しながら低電力消費を維持できるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、アンテナ選択を伴う集中型アンテナ（CA）システムと比較して、総電力消費を顕著に低減する。
• DA-imperfect-probおよびDA-unknown-probアルゴリズムは、等方的または空間的ANを用いる従来のDAシステムと比較して、より低い電力消費を達成する。
• シミュレーション結果は、意図した受信者のSINRが建設的領域に保たれ、盗聴者のSINRが破壊的領域に押し下げられることを確認しており、セキュリティが確保されていることを示している。
• アルゴリズムは5反復以内に収束し、計算複雑度が低く実用的であることが示された。
• アンテナの活性化がユーザーの位置に動的に連動しており、柔軟でオンデマンドかつユーザ中心型のネットワーク構造を実現している。
• 不正確または完全に未知のEvesのCSIであっても、ロバスト最適化により、強固なセキュリティとQoS性能を維持できる。