[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种以用户为中心、节能的分布式天线系统，通过联合优化天线选择与安全预编码，最小化总发射功率，同时确保物理层安全。通过设计人工噪声（AN）使其在合法接收端实现相长波束成形，在窃听者处实现相消波束成形，即使在信道状态信息（CSI）不完美或未知的情况下，该方法相比集中式和传统分布式系统实现了显著的节能效果。

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.

研究动机与目标

• 解决分布式天线（DA）系统中窃听者（Eves）可能截获目标用户信号的物理层安全问题。
• 通过联合优化分布式天线选择与安全预编码，最小化总功率消耗。
• 设计人工噪声（AN），使其对合法接收者（IR）具有相长有益作用，同时对Eves具有破坏性影响，从而逆转传统AN处理方式。
• 在信道状态信息（CSI）不完美或完全未知的实际场景中，采用鲁棒优化方法处理。
• 实现以用户为中心的按需网络结构，其中天线激活取决于用户位置和QoS需求。

提出的方法

• 针对Eves CSI不完美的场景，构建机会约束鲁棒优化模型，确保统计满足SINR要求。
• 针对Eves CSI未知的情况，提出确定性鲁棒优化模型，保证最坏情况下的SINR约束。
• 将构造性人工噪声（AN）设计集成到预编码过程中，以增强IR的SINR，同时恶化Eves的接收性能。
• 采用两阶段迭代算法，联合优化天线选择向量与预编码波束成形器。
• 应用半定松弛与连续凸逼近方法，高效求解非凸优化问题。
• 通过基于位置和QoS驱动的选择，仅激活靠近用户的DA，实现功率效率最大化。

实验结果

研究问题

• RQ1 当Eves的CSI不完美或未知时，分布式天线系统如何实现安全且节能的传输？
• RQ2 人工噪声能否被设计为对合法接收者具有相长有益作用，而非仅具有破坏性？
• RQ3 以用户为中心的天线选择对DA系统中的功率消耗与安全性能有何影响？
• RQ4 在功率效率与安全保证方面，概率性与确定性鲁棒优化策略有何对比？
• RQ5 所提方法是否能在用户位置变化的情况下，仍保持低功耗，同时确保QoS与安全性？

主要发现

• 所提算法相比集中式天线（CA）系统（无论是否采用天线选择），显著降低了总功率消耗。
• DA-imperfect-prob与DA-unknown-prob算法的功耗低于采用全向或空间人工噪声的传统DA系统。
• 仿真结果证实，合法接收者的SINR保持在相长区域，而窃听者的SINR被压至相消区域，确保了安全性。
• 算法在5次迭代内收敛，表明计算复杂度低，具备实际可行性。
• 天线激活与用户位置动态关联，实现了灵活、按需、以用户为中心的网络结构。
• 即使在Eves CSI不完美或未知的情况下，系统仍通过鲁棒优化保持了强大的安全性和QoS性能。