[論文レビュー] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO: Active Attacks and Passive Eavesdropping.

Gui Zhou, Cunhua Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、Rician fadingチャネルにおけるアクティブ攻撃およびパasiveな盗聴が存在する状況下で、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を支援するユーザー協調方式を提案し、物理層セキュリティを向上させる。統計的チャネル誤差を考慮したビームフォーミングと、セキュリティレート最大化のための低複雑性アルゴリズムを活用することで、セキュリティが向上し、数値結果から盗聴者のチャネル誤差が正当ユーザーのチャネル誤差よりも深刻な影響を及ぼすことが示された。

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surface (IRS) is proposed to enhance the physical layer security in the Rician fading channel where the angular direction of the eavesdropper is aligned with a legitimate user. In this scenario, we consider a two-phase communication system under the active attacks and passive eavesdropping. Particularly, in the first phase, the base station avoids direct transmission to the attacked user. While, in the second phase, other users cooperate to forward signals to the attacked user with the help of IRS and energy harvesting technology. Under the active attacks, we investigate an outage constrained beamforming design problem under the statistical cascaded channel error model, which is solved by using the Bernstein-type inequality. As for the passive eavesdropping, an average secrecy rate maximization problem is formulated, which is addressed by a low complexity algorithm. Numerical results show that the negative effect of the eavesdropper's channel error is greater than that of the legitimate user.

研究の動機と目的

• eavesdropperの方位方向が正当ユーザーと一致するRician fadingチャネルにおける物理層セキュリティの課題に対処すること。
• 送信中に特定のユーザーを標的とするアクティブ攻撃の影響を軽減すること。
• ユーザー協調とIRSビームフォーミングを活用して、パasiveな盗聴下でのセキュリティ性能を向上させること。
• 正当ユーザーおよび盗聴者両方のチャネルにおける統計的カスケードチャネル誤差の影響をモデル化・分析すること。
• IRSとユーザー協調を活用した安全かつエネルギー効率の良い伝送を保証する二段階通信プロトコルの設計

提案手法

• 二段階伝送プロトコルを提案：第1段階では、基地局が攻撃対象ユーザーへの直接伝送を回避する。第2段階では、他のユーザーがIRS支援のもとで信号を中継する。
• 統計的カスケードチャネル誤差モデル下でのアウトージェイン制約付きビームフォーミング設計問題を、Bernstein型不等式を用いて解く。
• パasiveな盗聴下での平均セキュリティレート最大化のための低複雑性アルゴリズムを適用する。
• SWIPT（同時無線情報および電力伝送）をIRSで強化されたMIMOシステムに統合し、エネルギー回収を実現する。
• 正当ユーザーおよび盗聴者の両方のカスケードチャネルにおける不確実性を反映させるために、チャネル誤差を統計的分布としてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eavesdropperの方位方向が正当ユーザーと一致するRician fading環境下で、システムのセキュリティ性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 品質保証を確保しつつ、アクティブ攻撃の影響を効果的に軽減できるビームフォーミング戦略は何か？
• RQ3 盗聴者のチャネルにおける統計的チャネル誤差と、正当ユーザーのチャネル誤差とでは、影響度にどのような差があるか？
• RQ4 ユーザー協調とIRS、およびエネルギー回収を組み合わせることで、パasiveな盗聴下でのセキュリティレートを向上できるか？
• RQ5 チャネル不確実性が存在する状況下で、セキュリティレート最大化とアウトージェイン制約の間にはどのような性能トレードオフが生じるか？

主な発見

• 盗聴者のチャネル誤差が、正当ユーザーのチャネル誤差よりも深刻な悪影響を及ぼすことが判明した。
• Bernstein型不等式に基づく提案ビームフォーミング設計により、統計的チャネル不確実性下でもアウトージェイン確率を効果的に制御できた。
• 低複雑性アルゴリズムにより、パasiveな盗聴下で平均セキュリティレートに顕著な向上が得られた。
• IRS支援付きのユーザー協調により、攻撃対象ユーザーへの信頼性の高い信号伝送が可能になりつつ、セキュリティも維持された。
• SWIPTとIRSの統合により、MIMOシステムにおけるエネルギー効率と物理層セキュリティの両方が向上した。