Secrecy Energy Efficiency in PAPR-Aware Artificial Noise Scheme for Secure Massive MIMO
Efficacité énergétique en matière de secret dans un schéma de bruit artificiel tenant compte du PAPR pour un MIMO massif sécurisé
Résumé
In this paper, we study the secrecy energy efficiency (SEE) in an artificial noise (AN)-aided secure massive multipleinput multiple-output (MIMO) scheme. The scheme uses instantaneous information to design a peak-to-average power (PAPR)aware AN that simultaneously improves secrecy and reduces PAPR. High PAPR leads to non-linear in-band signal distortion and out-of-band radiation causing adjacent channel interference. To ensure optimal secrecy performance, high power amplifiers (HPAs) at the base station (BS) are backed off to operate in the linear region only. The amount of back-off needed to ensure linearity of the HPA has a direct impact on the energy efficiency of the system and by extension the SEE. For our scheme, the magnitude of this back-off is determined by the power allocation ratio between the data and AN. Hence, we propose an optimal power allocation ratio for the scheme. This is to ensure a good trade-off between the energy efficiency, security, and reliability of the system. Simulation results show a better SEE performance for our scheme compared to legacy massive MIMO schemes with or without random AN injection. Finally, we study the impact of spatially correlated Rayleigh fading on the proposed scheme. Index Terms-Artificial noise (AN), massive multiple-input multiple-output (MIMO), matched filter (MF) precoding, peakto-average power ratio (PAPR), high power amplifier (HPA), physical layer security (PLS), secrecy energy efficiency (SEE).
Dans cet article, nous étudions l'efficacité énergétique du secret (SEE) dans un schéma MIMO massif à entrées et sorties multiples (MIMO) sécurisé et assisté par un bruit artificiel (AN). Ce schéma utilise des informations instantanées pour concevoir un bruit artificiel tenant compte de la puissance crête-moyenne (PAPR) qui améliore simultanément le secret et réduit le PAPR. Un PAPR élevé entraîne une distorsion non linéaire du signal dans la bande et un rayonnement hors bande provoquant des interférences dans les canaux adjacents. Pour garantir des performances optimales en matière de secret, les amplificateurs de forte puissance (HPA) de la station de base (BS) sont désactivés pour fonctionner uniquement dans la zone linéaire. La quantité de compensation nécessaire pour assurer la linéarité de l'amplificateur de grande puissance a un impact direct sur l'efficacité énergétique du système et, par extension, sur le SEE. Pour notre système, l'ampleur de cette compensation est déterminée par le rapport d'allocation de puissance entre les données et l'AN. Nous proposons donc un ratio optimal d'allocation de puissance pour le système. Ceci afin de garantir un bon compromis entre l'efficacité énergétique, la sécurité et la fiabilité du système. Les résultats de la simulation montrent une meilleure performance SEE pour notre schéma par rapport aux schémas MIMO massifs existants avec ou sans injection aléatoire d'AN. Enfin, nous étudions l'impact de l'évanouissement de Rayleigh spatialement corrélé sur le système proposé. Index Terms-Bruit artificiel (AN), MIMO massive à entrées et sorties multiples, précodage par filtre adapté (MF), rapport de puissance crête à moyenne (PAPR), amplificateur de puissance élevé (HPA), sécurité de la couche physique (PLS), efficacité énergétique du secret (SEE).
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]
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