[论文解读] Secure Wireless Information and Power Transfer in Large-Scale MIMO Relaying Systems with Imperfect CSI

Xiaoming Chen, Jian Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在大规模MIMO放大转发中继系统中，针对信道状态信息（CSI）不完美情况下的安全无线信息与能量传输方案。推导了在CSI不完美条件下的保密中断容量的显式表达式，并在中继端设计了最优的功率分配方案以最大化该容量，即使在窃听者靠近和信道估计误差存在的情况下，也能实现鲁棒性能。

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.

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO（LS-MIMO）放大转发（AF）中继系统中，由于CSI不完美而导致的安全无线信息与能量传输（WIPT）挑战。
• 应对远距离信息/能量传输与近距离窃听的双重问题，这在实际部署中至关重要。
• 在中继端设计一种功率分配方案，以在CSI不完美且无窃听者CSI的条件下，最大化保密中断容量。
• 在实际系统条件下，分析发射功率、CSI精度和传输距离对保密性能的影响。

提出的方法

• 构建一个采用时分双工（TDD）的LS-MIMO AF中继系统，包含单天线源、目的地和窃听者，以及一个大规模天线中继。
• 将中继建模为通过功率分配比θ将接收信号分为能量采集和信息处理两路。
• 通过在信道硬化条件下的渐近分析，推导出保密中断容量的显式表达式，其变量包括发射功率、CSI精度（ρ）和系统参数。
• 利用大系统分析方法，近似描述窃听者信道增益的分布，利用中继信道估计精度随天线数量增加而提高的特性。
• 利用窃听者信干噪比（SINR）的累积分布函数（CDF）计算保密中断概率。
• 提出一种最优的功率分配比θ，以最大化保密中断容量，其推导基于在CSI不完美条件下的容量闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LS-MIMO AF中继系统中，合法中继端的CSI不完美如何影响保密中断容量？
• RQ2 在无窃听者CSI且合法CSI不完美的条件下，中继端的最优功率分配比θ应如何选取，以最大化保密中断容量？
• RQ3 发射功率、中继天线数量和信道估计精度如何共同影响保密性能？
• RQ4 能否以闭式表达式表示保密中断容量，以体现能量采集与安全信息传输之间的权衡？
• RQ5 在高发射功率条件下，保密中断容量是否会趋于饱和？若是，其在高信噪比（SNR）区域的主要影响因素是什么？

主要发现

• 保密中断容量以闭式表达式推导得出：$ 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) $，该表达式明确体现了CSI精度和系统参数的影响。
• 在高发射功率区域，保密中断容量不再依赖于源端发射功率$ P_S $，表明由于干扰和信道估计误差的存在，系统出现容量饱和现象。
• 推导出最优的功率分配比θ，以在CSI不完美条件下平衡能量采集与信息转发，从而最大化保密中断容量。
• 仿真结果验证了理论分析的正确性，表明与传统方案相比，所提方案显著提升了保密性能，尤其在CSI不完美条件下优势更明显。
• 由于LS-MIMO中的信道硬化特性，系统具备鲁棒的保密性能，即大量中继天线（$ N_R \gg 1 $）使信道增益趋于稳定，降低了估计误差的影响。
• 所推导的容量表达式表明，保密性能主要受限于窃听者的信道增益和中继端的CSI精度，而非高SNR区域的源端发射功率。