[論文レビュー] Jamming-Aided Secure Communication in Massive MIMO Rician Channels

Jue Wang, Jemin Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、マス・MIMOのリーカン・フェージングチャネルにおけるジャミング支援型セキュア通信を提案し、盗聴者位置が情報漏洩を引き起こす領域を特定するための幾何的セキュリティアウトアージョン領域（SOR）を導入する。秘密性アウトアージョン確率（SOP）を導出するとともに、ジャミングが有効となる距離範囲を同定し、SOPを効率的に低減する最適なパワー割り当ておよび指向性ジャミング方式を設計した。数値結果により、単一および複数ユーザー環境での有効性が検証された。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the artificial noise-aided jamming design for a transmitter equipped with large antenna array in Rician fading channels. We figure out that when the number of transmit antennas tends to infinity, whether the secrecy outage happens in a Rician channel depends on the geometric locations of eavesdroppers. In this light, we first define and analytically describe the secrecy outage region (SOR), indicating all possible locations of an eavesdropper that can cause secrecy outage. After that, the secrecy outage probability (SOP) is derived, and a jamming-beneficial range, i.e., the distance range of eavesdroppers which enables uniform jamming to reduce the SOP, is determined. Then, the optimal power allocation between messages and artificial noise is investigated for different scenarios. Furthermore, to use the jamming power more efficiently and further reduce the SOP, we propose directional jamming that generates jamming signals at selected beams (mapped to physical angles) only, and power allocation algorithms are proposed for the cases with and without the information of the suspicious area, i.e., possible locations of eavesdroppers. We further extend the discussions to multiuser and multi-cell scenarios. At last, numerical results validate our conclusions and show the effectiveness of our proposed jamming power allocation schemes.

研究の動機と目的

• リーカンフェージングチャネルにおけるマス・MIMOビームフォーミングと盗聴者位置の影響が物理層セキュリティに与える影響を分析すること。
• 盗聴者位置が情報漏洩を引き起こす原因となる領域を幾何的基準として定義するためのセキュリティアウトアージョン領域（SOR）を定義すること。
• SOPを導出し、一様ジャミングがSOPを低減する可能性がある距離範囲（ジャミング有利範囲）を同定すること。
• スケジューリングレートを最大化するため、情報信号と人工ノイズの間での最適パワー割り当てを設計すること。
• 盗聴の可能性がある角度領域に焦点を当てた指向性ジャミング技術を提案し、効率を向上させるとともにSOPを低減すること。

提案手法

• 盗聴者位置（角度と距離）が情報漏洩を引き起こす領域を、チャネルの幾何構造とリーカンフェージングに基づいて、セキュリティアウトアージョン領域（SOR）として定義する。
• 大システム解析と漸近的ビームフォーミング特性を用いて、盗聴者位置を関数とするSOPを導出する。
• 人工ノイズのパワーとビームフォーミングの指向性のトレードオフに基づき、一様ジャミングがSOPを低減する可能性がある範囲を同定する。
• 全送信パワー制約およびビームパターン制約を考慮し、凸最適化を用いて情報信号と人工ノイズの間での最適パワー割り当てを提案する。
• 盗聴の可能性がある角度領域に一致するビームフォーミングベクトルを用いて、特定のビームにジャミング信号を集中的に送信する指向性ジャミングを導入する。
• 盗聴の可能性がある領域の事前知識の有無に応じて、近似法と境界に基づく最適化を用いてSORの面積を最小化するパワー割り当てアルゴリズムをそれぞれ開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンテナ数が無限大に近づく際、従来の均一ジャミングはマス・MIMOシステムにおけるセキュリティに依然として有効であるか？
• RQ2 指向性ジャミングは、マス・MIMOのリーカンチャネルにおいて、SOP低減の面で一様ジャミングを上回るか？
• RQ3 リーカンフェージングを伴うマス・MIMOシステムにおいて、情報漏洩を引き起こす可能性がある盗聴者の幾何的領域（SOR）は何か？
• RQ4 盗聴者位置の仮定が異なる条件下で、SOPを最小化するための情報信号と人工ノイズの最適パワー割り当ては何か？
• RQ5 盗聴の可能性がある領域（盗聴者候補領域）の存在が、ジャミング戦略の設計と性能に与える影響は何か？

主な発見

• SORは盗聴者の角度および距離パラメータによって幾何的に定義され、その面積がSOPを決定づける。
• 一様ジャミングがSOPを低減する可能性があるジャミング有利範囲が存在し、特に送信機から臨界距離範囲内に位置する盗聴者に対して有効である。
• 情報信号と人工ノイズの間での最適パワー割り当てが解析的に導出され、盗聴者位置が既知の場合には最適ジャミング比について閉形式解が得られる。
• 盗聴の可能性がある領域が事前に分かっている場合、指向性ジャミングは一様ジャミングよりもSORをより効果的に低減する。
• 指向性ジャミング用に提案されたパワー割り当てアルゴリズムは、ビームごとのパワー割り当てに関する凹関数最小化問題を解くことで、SORの面積を最小化する。
• 数値結果により、最適化されたパワー割り当てを伴う指向性ジャミングが、特に複数ユーザーおよび複数セル環境において、一様ジャミングに比べてSOPを顕著に低減することが確認された。