تخصيص بهينه توان در سيستم رله انبوه آنتني كاملاً دوطرفه متشكل از چند جفت فرستنده - گيرنده و در حضور شنودگر

Optimal Power Allocation in Multipair Full-duplex Relaying Massive MIMO Networks in Presence of Eavesdropper

در اين مقاله، امنيت لايه فيزيكي يك شبكه مشاركتي متشكل از چند جفت گره منبع-مقصد را در حضور يك گره شنودگر بررسي مي‌كنيم. ارتباط ببن گره‌هاي فرستنده و گيرنده به‌طور همزمان و از طريق يك ايستگاه رله كاملاً دوطرفه مجهز به آرايه آنتني عظيم برقرار مي‌شود و شنودگر منفعل ارتباط بين يك جفت گره‌ موجود در شبكه را استراق سمع مي‌كند. فرض مي‌كنيم رله از تكنيك‌هاي پردازش خطي اجبار به صفر، بيشينه نسبت تركيب و بيشينه نسبت ارسال براي دريافت اطلاعات از گره‌هاي منبع و ارسال مجدد آن به گره‌هاي مقصد استفاده مي‌كند. در بخش اول مقاله نرخ محرمانگي هر يك از اين تكنيك‌هاي پردازش خطي را محاسبه مي‌كنيم و نتايج را به‌فرم بسته و به‌صورت توابعي از پارامترهاي سيستم، شامل تعداد جفت گره‌هاي موجود در سيستم، تعداد آنتن‌هاي گيرنده و فرستنده در ايستگاه رله و نيز ضرايب تخمين كانال استخراج مي‌كنيم. در بخش دوم مقاله و با هدف بهبود امنيت سيستم، يك روش تخصيص توان بهينه در ايستگاه رله و بين گره‌هاي منبع ارايه مي‌شود. مسئله فرموله شده يك مسئله پيچيده غيرمحدب مي‌باشد كه با تبديل به يك مسئله برنامه‌ريزي هندسي حل مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه روش تخصيص توان ارايه شده مي‌تواند نرخ محرمانگي سيستم را تا حد قابل قبولي بهبود دهد.

In this paper, we investigate the physical layer secrecy of a multipair cooperative network in presence of an eavesdropper. Simultaneous ccommunication between the transmitter and receiver pairs is established through a massive antenna array equipped fullduplex relay station, while the passive eavesdropper overhears communication between one pair. We consider that the relay uses zeroforcing, maximum mixing ratio, and maximum transmission ratio linear processing techniques. In the first part of the paper, we study the secrecy rate of the adopted linear processing techniques. We derive closed-form expressions for the average secrecy rate as a functions of the system parameters, such as number of pairs, the number of relay’s transmit and receive antennas, and the channel estimation coefficients. In the second part of the paper, in order to improve the system’s secrecy, an optimal power allocation scheme is presented at the relay station and source nodes. The formulated problem is a complex non-convex problem that is solved by recasting as a geometric programming problem. The simulation results show that the proposed power allocation scheme significantly improves the system's secrecy rate.