In spectrum leasing, primary users (PUs) lease the part of their spectral resources to secondary users (SUs) in exchange for appropriate remuneration. In this paper, we consider spectrum leasing via cooperation for physical-layer security that the secondary cooperation exists for improving the primary secrecy rate while maintaining its quality of service (QoS). Unlike the previous researches with the perfect channel state information (CSI) at transmit-ter (CSIT) assumption, we study when no information regarding the eavesdropper is availa-ble at the transmitter. This imperfect CSIT makes the SU`s transmission strategy limited. To find the optimal transmission technique for the SU, we formulate a problem appropriate for the imperfect CSIT case. By using the proposed problem, we design the optimal transmit beamforming for the SU. Also, we analyze the ergodic rate of the secondary link at high signal-to-noise ratio (SNR) when the secondary cooperation focuses only on maximizing the primary secrecy rate for the viable choice of the secondary QoS level. The numerical result shows that the primary secrecy rate by the proposed transmit beamforming is comparable to that based on the perfect CSIT.
주파수 임대제 (Spectrum leasing)는 1차 사용자 (면허 보유자: Primary user or licensed user)가 법적인 권한과 사실상의 지배력을 보유한다는 조건하에 FCC(Federal Communicacions Commission)의 사전 승인 없이 통보만으로 2차 사용자 (임차인: Secondary user or unlicensed user)에게 1차 사용자에게 할당된 주파수를 임대해주는 시스템이다. 주파수 임대제에서는1차 사용자와 2차 사용자가 동일한 주파수를 사용하여 동시에 데이터를 전송할 수 있고, 1차 사용자의 수신 단에서2차 사용자의 동시 전송으로 발생되는 간섭은 1차 사용자의 통신 서비스 (최소 데이터 요구량)를 침해하지 않는 한으로 제한된다. 이 때, 주파수 임대로 인한 패널티에 대한 보상으로 2 차 사용자에게 1차 사용자의 성능을 향상시켜주는 협력 기법이 요구된다.
본 논문에서는 도청자가 존재하는 가정 하에, 2차 사용자가 자신의 통신 서비스 품질을 유지하면서, 1차 사용자의 보안 향상을 위해 존재하는 물리계층 보안을 위한 주파수 임대제를 고려한다. 송신 단에서의 모든 채널 정보 소유를 가정하고 있는 이전의 논문들과 달리, 본 논문에서는 실용성 측면을 고려하여 송신 단에서 도청자에 관한 채널 정보를 소유하지 않은 불완전한 채널 정보 소유 가정을 고려하였다. 이러한 송신 단에서의 불완전 채널 정보 소유 가정은 2차 사용자의 송신 기법을 제한하게 된다. 본 논문은2차 사용자의 최선의 송신 기법 디자인에 미치는 불완전한 채널 정보 소유 가정의 영향력을 고려하여 2차 사용자가 할 수 있는 최선의 빔포밍 전략을 컨벡스 최적화 문제로 구성하였다. 이에 더해, 제안된 컨벡스 최적화 문제를 기반으로 2차 사용자의 최적 빔포밍 기법을 디자인하였다. 또한 2차 사용자는 자신의 QoS를 지원해야 할 뿐만이 아니라, 1차 사용자의 보안 향상도 고려하여야 하므로, 지원할 수 있는 QoS 레벨은 한정되게 된다. 이러한 점을 고려하여, 2차 사용자에게 가장 낮은QoS를 지원하는 경우인 2차 사용자가 헬퍼(Helper)로써 존재할 때, 즉 2차 사용자가1차 사용자의 보안 향상만을 고려하는 경우에 대해 살펴보았다. 2차 사용자가 헬퍼로서 존재하는 경우, 높은 SNR (Signal to Noise Ratio)에서 지원받을 수 있는 2차 사용자의 에르고딕 (Ergodic) 데이터 량과 지원 가능한 에르고딕 QoS 레벨에 대하여 수식적으로 분석해보았다. 이러한 분석은 실제 구현 가능한 2차 사용자의 서비스 품질을 규정하는데 도움을 준다. 덧붙여, 시뮬레이션을 통해 완전한 채널 정보 소유를 가정하고 디자인된 기존의 빔포밍 기법과 불완전한 채널 정보를 활용하여 제안된 빔포밍 기법이 비교되었다. 시뮬레이션 결과는 제안된 2차 사용자의 빔포밍 기법이 불완전한 채널 정보 소유를 가정하였음에도 불구하고, 모든 채널 정보를 활용한 기존의 빔포밍 기법과 대등한 성능을 가진다는 것을 보여주고 있다. 또한 1차 사용자의 보안만을 고려하는2차 사용자가 높은 SNR에서 지원받을 수 있는 에르고딕 데이터 량을 수식적으로 분석하여 제안된 2차 사용자의 최소 서비스 품질 또한 시뮬레이션 결과에서 유효하다는 것을 확인할 수 있다.
