2017 Fiscal Year Research-status Report
An Information-theoretic secured 5G mobile communications system utilizing physical layer security
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17K06423
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
高野 泰洋 神戸大学, 工学研究科, 助教 (70782746)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | channel estimation / turbo equalization / massive MIMO / compressive sensing / physical layer security |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H29年度，本研究は項目(a-1)「大規模MIMO 通信におけるチャネル推定性能の向上」に取り組んだ．大規模MIMO 通信では，推定すべきチャネルバラメータ数も増大するが，チャネル推定に必要なトレーニング信号を増やすと周波数利用効率が劣化する．そこで，本研究は，トレーニング信号と送信データのレプリカ信号を併用したターボチャネル推定法を利用し，課題解決を目指す．
最尤規範で形式化されるターボチャネル推定はCramer-Rao限界を漸近的に達成するが，従来法の演算量オーダーはO{ (RTW)^3 }を必要としていた．ただし，(R,T,W)はそれぞれ(受信アンテナ数，送信アンテナ数，チャネル応答長)である．しかし，従来法は，(R,T)が数十から数百となる大規模MIMOシステムに実装することは大変困難である．そこで，本研究は，ターボチャネル推定に利用する参照信号の共分散行列の代数的性質を解析し，演算精度を損なうことなく演算量をO{ (TW)^3 }に削減した新たなアルゴリズムを提案した．提案手法は，H30年3月にIEEE Signal Processing Letters へ採択された．
セキュアな無線伝送のために，正規の送受信者と傍聴者を含むマルチユーザ(MU)-MIMO系が必須である．また，正規の送受信リンクの周波数利用効率の向上は，秘匿チャネル容量増加にもつながる．そこで，本研究は，Chained Turbo Equalization (CHATUE) 法をMU-MIMOへ拡張した． CHATUE法は，CP伝送を想定せずに周波数選択性フェージング問題を解決する等化アルゴリズムである．本研究は，MU-MIMOに拡張したCHATUE受信機が実際にチャネル推定をしても周波数利用効率を向上可能なことを実証した．研究成果は国際会議 IEEE PIMRC 2017にて発表された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
遅延の理由は，研究テーマの拡充のためである．本研究は，項目(a-1)において，L1 正規化チャネル推定を大規模MIMOシステムへ拡張することを目指している．具体的には，(あ)Inter-block interference (IBI)チャネルと(い)時空間チャネルの２つのシナリオにて推定アルゴリズムを検討している．（あ）のIBIチャネルは周波数利用効率の観点から秘匿チャネル容量の増加が期待できる．（あ）に関する理論検討およびシミュレーション検証結果をまとめ，IEEE Trans. Wireless Comm. 誌へ投稿した．査読者からの指摘事項の対処のため想定以上の工数を必要としたが，現在，当該原稿は２ラウンド目の査読中である．また，（い）はH30年に成果を発表できるように論文作成を進めている．
また，本研究は，項目(a-1)にて検討した推定法を応用し，セキュアな無線伝送に必須な (a-2)チャネル・レシプロシティ伝送についての探求を計画していた．項目(a-2)に関し，H29年度は，チャネル・レシプロシティ伝送を想定したMISOシステムの秘匿チャネル容量を調査し，国内会議CSS 2017 (査読なし)にて，調査結果を発表した．本研究は，チャネル推定を実際に行った場合の現実的な秘匿チャネル容量を明らかにすることを目指している．この点に関し，H30年度に引き続き検討を行う．
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度は，先ず，上述の (a-1, い)L1正規化チャネル推定の時空間チャネルへの応用と，(a-2) チャネル・レシプロシティ伝送による秘匿伝送の調査研究に注力する．そして，(a-2)の調査結果を利用して，(b-1)レシプロシティと暗号化を併用した秘匿性向上，に取り組む．
項目(a-1, い)に関し， H29年度に実施した検討結果によると，時空間チャネルへのL1正規化推定法は，優れた推定性能を達成する一方，高い演算量を要することが判明している．従って，シミュレーション検証に多大な時間を要しており， H29年度に本科研費により導入した計算機サーバーの利用だけでは，評価検証の進捗が滞っている．そこで，H30年度はGPUアクセラレータを追加する．また，研究担当者の博士課程指導教員であるJAIST松本教授に依頼し，JAISTの計算機サーバーも併用することで，検証の進捗向上を目指す．
また，項目(a-2)と(b-1)に関して，国立台湾大学Hsuan-Jung Su教授と協働し，有意な研究成果の達成を目指す．H29年度から協働を始めているSu教授は，Physical layer security および mmWave MIMOシステムで既に多くの実績を残されている．本研究は．電話会議によりSu教授と定期的に技術討議し，先行研究におよび最新の研究成果に関し情報交換を行う．また，項目 (a-1,2)の成果を利用し，本研究は，実際にチャネル推定を実施した場合のレシプロシティ伝送を対象とし，現実的な物理レイヤセキュリティの調査検討を行う．
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| Causes of Carryover |
H30年度にGPUアクセラレータを追加するため．
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