[論文レビュー] Secrecy Rates in the Broadcast Channel with Confidential Messages and External Eavesdroppers

Giovanni Geraci, Sarabjot Singh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、悪意あるユーザーと空間的にランダムに配置された外部盗聴者を併せ持つMIMO通信のセキュリティをモデル化するため、機密情報を持つブロードキャストチャンネルと外部盗聴者（BCCE）を導入する。大規模システム解析を用い、確率的幾何学とランダム行列理論を組み合わせることで、盗聴者による秘匿性の低下確率とスルーレート損失が $\lambda_e / \sqrt{N}$ のスケーリングに従うことを導出。また、チャネル状態情報や盗聴者位置の知識が不要な実用的な正則化パラメータのルールを提案し、近似的最適性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider the broadcast channel with confidential messages and external eavesdroppers (BCCE), where a multi-antenna base station simultaneously communicates to multiple potentially malicious users, in the presence of randomly located external eavesdroppers. Using the proposed model, we study the secrecy rates achievable by regularized channel inversion (RCI) precoding by performing a large-system analysis that combines tools from stochastic geometry and random matrix theory. We obtain explicit expressions for the probability of secrecy outage and an upper bound on the rate loss due to the presence of external eavesdroppers. We show that both these quantities scale as $\frac{λ_e}{\sqrt{N}}$, where $N$ is the number of transmit antennas and $λ_e$ is the density of external eavesdroppers, irrespective of their collusion strategy. Furthermore, we derive a practical rule for the choice of the regularization parameter, which is agnostic of channel state information and location of eavesdroppers, and yet provides close to optimal performance.

研究の動機と目的

• 悪意あるユーザーと空間的にランダムに配置された外部盗聴者が機密メッセージを傍受可能な現実的物理層セキュリティ環境をモデル化すること。
• 悪意あるユーザーと外部盗聴者の両方の存在下で、正則化チャネル反転（RCI）予めんの秘匿性能を分析すること。
• 外部盗聴者の影響が大規模MIMOシステムにおける秘匿性の低下確率とスルーレート損失に与える影響を定量化すること。
• チャネル状態情報や盗聴者位置の知識が不要な、RCIの正則化パラメータを設定する実用的なルールを導出すること。

提案手法

• 複数アンテナを備えた基地局、正当なユーザー、悪意あるユーザー、空間的にランダムに配置された外部盗聴者（ポアソン点過程としてモデル化）を有するBCCEモデルを定式化。
• ランダム行列理論（RMT）のツールを用いた大規模システム解析を適用し、正当ユーザーおよび盗聴者における信号対インターフェアレンス加法性ノイズ比（SINR）を特徴付ける。
• 確率的幾何学（SG）を用いて外部盗聴者の空間的分布をモデル化し、そのSINRの分布を導出。
• 非協調および協調盗聴者戦略の両方に対して、秘匿性の低下確率および平均秘匿スルーレートの明示的表現を導出。
• RMTに基づく漸近的近似を用いて、大規模システム限界におけるSINR分布および秘匿スルーレートの解析を簡略化。
• チャネル状態情報や盗聴者位置の知識が不要な、RCIの実用的な正則化パラメータのルールを提案し、近似的最適な秘匿スルーレート性能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的にランダムに配置された外部盗聴者が存在するMIMOブロードキャストチャンネルにおける秘匿性の低下確率に与える影響は何か？
• RQ2 送信アンテナ数および盗聴者密度に関して、秘匿性の低下確率とスルーレート損失のスケーリング特性はどのように変化するか？
• RQ3 外部盗聴者の協調戦略がRCI予めんの秘匿性能に与える影響は何か？
• RQ4 チャネル状態情報や盗聴者位置の知識が不要な、実用的でチャネルに依存しない正則化パラメータをRCIに導出可能か？
• RQ5 外部盗聴者によるスルーレート損失の上限は、悪意あるユーザーのみが存在するシステムと比較してどの程度か？

主な発見

• 大規模システムにおける秘匿性の低下確率は、外部盗聴者が協調するかしないかに関わらず、$\lambda_e / \sqrt{N}$ に比例してスケーリングする。
• 外部盗聴者によるスルーレート損失の上限も $\lambda_e / \sqrt{N}$ に比例してスケーリングし、外部盗聴による性能劣化を定量的に示している。
• 提案された正則化パラメータのルールは、チャネル状態情報や盗聴者位置の知識が不要でありながら、近似的最適な秘匿スルーレート性能を達成する。
• BCCEにおける平均秘匿スルーレートは明示的に導出されており、外部盗聴者が存在しないBCC（ブロードキャストチャンネル）と比較して、$\lambda_e / \sqrt{N}$ のスケーリングに従って劣化が限定される。
• 解析により、秘匿性の低下確率は盗聴者におけるSINR分布に依存しており、協調および非協調両ケースにおいて確率的幾何学を用いてその分布が導出されている。
• 秘匿性の低下確率およびスルーレート損失の導出式は明示的であり、送信電力、ノイズ、盗聴者密度などのシステムパラメータに依存する。