[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于信道相关性的人工噪声（AN）辅助波束成形方案，用于具有相关主信道和窃听信道的MISO窃听信道。通过基于接收端相关性的模型将窃听信道建模为确定性和随机分量的组合，该方案在主信道的零空间中优化了信息波束成形与非均匀的AN功率分配，显著提升了在发射功率和保密中断约束下的保密速率。

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.

研究动机与目标

• 解决MISO窃听信道中因接收端相关性导致的保密速率下降问题。
• 克服传统AN辅助波束成形方法中假设主信道与窃听信道独立所带来的局限性。
• 将信道相关性作为提升保密性能的资源，而非视为有害因素。
• 在保密中断和发射功率约束下，开发信息信号与人工噪声之间高效的功率分配算法。

提出的方法

• 将窃听信道建模为基于相关性的确定性分量与随机分量之和，实现精确的统计描述。
• 制定波束成形设计，以优化信息信号的波束方向，同时在主信道的零空间中非均匀地分配AN功率。
• 利用相关性结构推导出更精确的窃听信道统计模型，从而提高AN功率分配的精度。
• 开发一种高效的迭代算法，用于在信息信号与AN之间进行功率分配，确保满足保密中断和功率约束。
• 将相关性感知模型整合到在实际系统约束下的保密速率最大化框架中。
• 通过与穷举搜索对比验证该方案，确认其在降低复杂度的同时实现近似最优性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用主信道与窃听信道之间的接收端信道相关性来提升物理层保密性能？
• RQ2 当存在相关性时，如何在主信道的零空间中实现人工噪声功率的最优分配？
• RQ3 在保密速率和中断性能方面，相关性感知波束成形与传统均匀AN分配相比有何差异？
• RQ4 在相关性和功率约束下，低复杂度算法能否实现接近穷举搜索的保密速率性能？
• RQ5 在相关MISO窃听信道中，增加发射天线数和发射功率对保密速率有何影响？

主要发现

• 所提方案的保密速率高于传统AN辅助波束成形方案，尤其在相关性增强时更为显著，这是由于对窃听信道的建模更加精确。
• 在总发射功率为10 dBW且保密中断概率为0.15的条件下，所提方案在高相关性场景下显著优于传统方案。
• 当发射功率从12 dBW增加到15 dBW时，保密速率约提升25%，表明在高功率水平下增益趋于饱和。
• 随着发射天线数量的增加，保密速率也随之提升，因为可用的空间自由度增加，且所提方案始终优于传统方法。
• 所提算法的保密速率性能非常接近穷举搜索结果，证实了其有效性与低计算复杂度。
• 该方案在不同相关性水平下均表现出鲁棒性，其性能在相同约束下趋近理论最优值。