Secrecy Performance of Secure Amplify-and-Forward Transmission with Multi-Antenna Relay

Abstract

본 논문에서는 증폭후전송 (amplify-and-forward, AF) 기반의 중계 전송 시스템에서 통신 정보를 도청하는 도청자가 존재하는 환경인 와이어탭 채널 (wiretap channel)에서의 물리 계층 보안에 대한 분석을 한다. 와이어탭 채널 환경에서 원천 노드, 목적지 노드, 중계 노드, 도청 노드가 각각 한 개씩 존재한다고 가정하며, 특히 중계 노드는 다수의 안테나를 가지고 있는 시스템을 고려한다. 중계 노드에서는 AF 전송시에 다이버시티 (diversity) 이득을 취하기 위한 안테나 선택 기법을 적용하였다. 구체적으로, 중계 노드에서 데이터 수 송신시 신호대잡음비를 최대화 할 수 있는 안테나를 선택하여 동작한다. 보다 실질적인 환경을 고려하기 위하여 중계 노드에서 목적지 노드로 전송할 때 도청 노드에 대한 채널 정보는 없는 환경을 고려하였다. 제안된 시스템의 보안 성능 분석을 위하여 보안 불통 확률 (secrecy outage probability)를 한 개의 적분 형태로 구하였으며, 시뮬레이션 결과를 통하여 해당 성능 분석이 올바름을 보인다. In this paper, we consider a physical layer security of an amplify-and-forward (AF) transmission in a presence of an eavesdropper in a wiretap channel. The proposed wiretap channel consists of a source, a destination, a relay, and an eavesdropper. Specifically, we consider that the relay has multiple antennas to exploit a diversity gain and a receive/transmit antenna selection schemes are applied to maximize a signal-to-noise ratio. In a practical point of view, we focus on the practical scenario where the relay does not have any channel state information of the eavesdropper while performing an AF protocol at the relay. For a secrecy performance analysis, we analyze a secrecy outage probability of the proposed system in one-integral form and verify our analysis with the computer-based simulation.