In this paper, we investigated an approach to achieve secure transmission using lens antenna array (LAA) in millimeter wave (mmWave) MISO systems. Unlike the conventional sub-6GHz communication system, mmWave communication systems are difficult to implement with full digital beamforming. Thus, the mmWave communication system is implemented with hybrid beamforming architecture, which is composed with analog beamforming and digital beamforming. In this paper, the analog beamformer is replaced with lens antenna array (LAA) to decrease its complexity for secrecy capacity maximization problem. It is obtained that guaranteeing the physical layer security with antenna selection scheme and artificial noise through the LAA without conventional complex hybrid beamforming algorithms. In this paper, we divided the scenarios whether the channel state information of eavesdropper (CSIE) can be used at the transmitter, and proposed secrecy schemes for the both scenarios. We derived the optimal signal-artificial noise ratio by a line search algorithm. Additional analog beamforming algorithm is proposed for enhancing the secrecy performance using low-precision phase shifters. Simulation results show that the proposed scheme with LAA outperforms the hybrid beamforming scheme with uniform planar array (UPA). We also observed that the performance gap becomes larger, when the number of RF chains reducing.
본 논문에서는 밀리미터 대역 MISO 무선 통신 시스템에서 렌즈 안테나 어레이를 사용하여 도청자로부터 데이터를 안전하게 송신하는 방법을 연구하였다. 기존의 통신 시스템과 달리, 밀리미터 통신 시스템은 완 전한 디지털 회로로 구현하는 것에 어려움이 따르기 때문에, 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 적절히 조합한 하이브리드 빔포밍 구조로 구현한다. 본 논문에서는 기존의 하이브리드 빔포밍 기반의 물리계층보안 연구에서 아날로그 빔포밍 설계가 갖는 복잡성을 줄이고자 렌즈 안테나 어레이로 아날로그 빔포밍을 대체하 였고, 간단한 안테나 선택 알고리즘과 인공잡음 신호를 사용하여 더 좋은 성능을 가질 수 있음을 보였다. 본 연구는 송신단에서 도청자의 채널을 알고 있는 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 진행되었으며, 신호-인공 잡음 전력비는 각각의 상황에 따라 제안된 알고리즘을 바탕으로 최적의 성능을 갖도록 유도되었다. 추가로, 도청자의 채널 정보를 모르는 경우, 낮은 정확도의 위상천이기를 사용하여 보안 성능을 증가시키는 알고리 즘을 제안하였다. 시뮬레이션 결과는 기존의 하이브리드 빔포밍 기반 연구와 비교하여 제안된 알고리즘이 더 높은 성능을 나타내는 것을 보여주며, 특히 RF 체인의 수가 적을수록 더 높은 성능 차이를 확인할 수 있었다.
