[論文レビュー] Data-Aided Secure Massive MIMO Transmission with Active Eavesdropping

Yongpeng Wu, Chao-Kai Wen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アクティブな盗聴者が上りリンクパイロットおよびデータフェーズをジャミングするTDDマルチセルシステムにおける、データ支援型のセキュアなマスィブMIMO伝送方式を提案する。パイロットおよびデータ信号を用いたチャネル推定により、送信電力の差異に起因する、合法ユーザーと盗聴者との間の漸近的固有空間分離を活用し、強力なアクティブ攻撃下でも顕著な秘匿スルーレートの向上を実現する。

ABSTRACT

In this paper, we study the design of secure communication for time division duplexing multi-cell multi-user massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with active eavesdropping. We assume that the eavesdropper actively attacks the uplink pilot transmission and the uplink data transmission before eavesdropping the downlink data transmission phase of the desired users. We exploit both the received pilots and data signals for uplink channel estimation. We show analytically that when the number of transmit antennas and the length of the data vector both tend to infinity, the signals of the desired user and the eavesdropper lie in different eigenspaces of the received signal matrix at the base station if their signal powers are different. This finding reveals that decreasing (instead of increasing) the desire user's signal power might be an effective approach to combat a strong active attack from an eavesdropper. Inspired by this result, we propose a data-aided secure downlink transmission scheme and derive an asymptotic achievable secrecy sum-rate expression for the proposed design. Numerical results indicate that under strong active attacks, the proposed design achieves significant secrecy rate gains compared to the conventional design employing matched filter precoding and artificial noise generation.

研究の動機と目的

• アクティブな盗聴者が上りリンクトレーニングおよびデータフェーズをジャミングするTDDマスィブMIMOシステムにおける、深刻なセキュリティ脅威に対処すること。
• 強力なパイロット汚染攻撃下で失敗する従来の物理層セキュリティ設計の限界を克服すること。
• 上りリンクデータおよびパイロットを活用して、より優れたチャネル推定と秘匿スルーレート性能を実現するセキュアなダウンリンク伝送方式を開発すること。
• 大アンテナ数の下で、信号電力の差が合法ユーザーと盗聴者との間で固有空間分離を引き起こすことを理論的に分析し、実証すること。
• 提案されたデータ支援型セキュア伝送方式の漸近的実現可能秘匿スムーアートレート式を導出すること。

提案手法

• 基地局は、上りリンクパイロットおよび上りリンクデータ信号を用いてチャネルを推定し、盗聴者のジャミングに対してより高いロバスト性を実現する。
• 送信アンテナ数およびデータシンボル数が非常に大きくなる際、信号電力の差異に起因して、合法ユーザーと盗聴者の信号が上りリンク受信信号行列の異なる固有空間に位置することを活用する。
• アクティブな盗聴に対しても精度を高めるデータ支援型チャネル推定手法を開発し、より優れたプレコーディング設計を可能にする。
• 秘匿スムーアートレートを漸近的に分析し、盗聴者干渉およびチャネル推定誤差の影響を考慮した閉形式の式を導出する。
• 推定されたチャネルに基づいてプレコーディングを設計し、秘匿スルーレートを最大化する。性能は強力なアクティブ攻撃下で評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者が上りリンクトレーニングおよびデータ伝送を積極的にジャミングする状況下で、マスィブMIMOシステムにおいて合法ユーザーと盗聴者との間で固有空間分離を達成できるか？
• RQ2 強力なアクティブな盗聴が存在する状況下で、上りリンクデータをチャネル推定に活用することで、秘匿性能が向上するか？
• RQ3 送信アンテナ数およびデータシンボル数が無限大に近づく際、アクティブな盗聴下での秘匿スムーアートレートの漸近的挙動はいかなるものか？
• RQ4 従来の直感とは反して、合法ユーザーの信号電力を低下させることで、強力な盗聴者が存在する状況下でセキュリティが向上する可能性はあるか？
• RQ5 強力なアクティブ攻撃下で、提案されたデータ支援型方式は、従来のマッチドフィルタプレコーディングおよび人工雑音方式と比較してどのように差をつけるか？

主な発見

• 送信アンテナ数およびデータシンボル数が無限大に近づく際、合法ユーザーと盗聴者の信号は、電力差に起因して上りリンク受信信号行列の異なる固有空間に位置する。
• 本方式は、この固有空間分離を活用することで、特に強力なアクティブ攻撃下でも従来方式に比べ顕著な秘匿スルーレートの向上を達成する。
• 漸近的実現可能秘匿スムーアートレート式が導出され、アンテナ数の増加に伴い盗聴者の有効チャネル利得が消滅することが示された。
• 分析から、合法ユーザーと盗聴者との間の電力ギャップを拡大することで分離が強化され、一部の状況では合法ユーザーの信号電力を低減することが有益であることが明らかになった。
• 数値結果により、強力なアクティブ盗聴下において、提案されたデータ支援型方式が、従来のマッチドフィルタプレコーディングおよび人工雑音方式を上回る秘匿スルーレート性能を示した。