[論文レビュー] Secure Massive MIMO Transmission in the Presence of an Active Eavesdropper

Yongpeng Wu, Robert Schober+3 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、上行訓練中にパイロット汚染を引き起こす能動的盗聴者に対する安全なマスィブMIMO伝送方式を提案する。漸近的解析と人工雑音（AN）プレフィンギングを活用することで、秘匿レート最大化のための閉形式最適パワー割り当てを導出し、低ランク相関構造を活用したノルム空間プレフィンガーを提案する。これにより、ユーザーと盗聴者の相関部分空間が直交する場合には完全な秘匿性を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate secure and reliable transmission strategies for multi-cell multi-user massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems in the presence of an active eavesdropper. We consider a time-division duplex system where uplink training is required and an active eavesdropper can attack the training phase to cause pilot contamination at the transmitter. This forces the precoder used in the subsequent downlink transmission phase to implicitly beamform towards the eavesdropper, thus increasing its received signal power. We derive an asymptotic achievable secrecy rate for matched filter precoding and artificial noise (AN) generation at the transmitter when the number of transmit antennas goes to infinity. For the achievability scheme at hand, we obtain the optimal power allocation policy for the transmit signal and the AN in closed form. For the case of correlated fading channels, we show that the impact of the active eavesdropper can be completely removed if the transmit correlation matrices of the users and the eavesdropper are orthogonal. Inspired by this result, we propose a precoder null space design exploiting the low rank property of the transmit correlation matrices of massive MIMO channels, which can significantly degrade the eavesdropping capabilities of the active eavesdropper.

研究の動機と目的

• TDDマスィブMIMOシステムにおける能動的盗聴者によるパイロット汚染の脅威に対処すること。これは、正当なユーザーの性能を低下させるとともに、盗聴能力を高める。
• 送信アンテナ数が無限大に近づく際のマッチドフィルタプレフィンギングおよび人工雑音（AN）生成における、漸近的実現可能秘匿レートの表現を導出すること。
• 秘匿レートを最大化するための、情報信号と人工雑音の間の最適パワー割り当てを閉形式で特定すること。
• チャネル相関行列の低ランク構造を活用して盗聴者のチャネルを無効化するプレフィンギング方式を設計すること。特に相関 fading 環境において有効である。
• 盗聴者の影響が完全に排除される条件を確立すること。具体的には、ユーザーと盗聴者の信号部分空間が互いに直交する場合である。

提案手法

• マッチドフィルタプレフィンギングおよび人工雑音を用いたマスィブMIMOシステムにおける、漸近的実現可能秘匿レートの漸近的表現を導出する。これは大アンテナ領域を想定する。
• ランダム行列理論を用いて、アンテナ数が無限大に近づく際の合法ユーザーおよび盗聴者の信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）の漸近的挙動を分析する。
• 漸近的秘匿レート表現に基づき、情報信号と人工雑音の間の閉形式最適パワー割り当てポリシーを導出する。
• 盗聴者の相関行列のノルム空間に人工雑音をアライメントさせる低ランク性を活用したノルム空間プレフィンガーを提案する。これは、マスィブMIMOチャネル相関の低ランク性を利用している。
• 盗聴者のチャネルが完全に無効化される条件を分析する。具体的には、合法ユーザーの信号部分空間と盗聴者の部分空間が互いに直交する場合である。
• 理論的結果を漸近的解析および導出式のシミュレーションによる検証を通じて検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 能動的盗聴者が上行パイロット訓練フェーズを汚染する場合、マスィブMIMOシステムにおける漸近的実現可能秘匿レートはどのように表されるか？
• RQ2 大アンテナ領域において、秘匿レートを最大化するために情報信号と人工雑音の間でどのようにパワーを最適に割り当てるべきか？
• RQ3 相関 fading 環境において、能動的盗聴者の影響が完全に排除される条件は何か？
• RQ4 マスィブMIMOチャネル相関行列の低ランク構造を活用して、盗聴者のチャネルを無効化するプレフィンガーを設計できるか？
• RQ5 パイロット汚染が存在する状況において、提案されたノルム空間プレフィンガーは従来手法に比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• マッチドフィルタプレフィンギングおよび人工雑音生成における、閉形式の漸近的実現可能秘匿レートが導出され、システムパrameterの正確な最適化が可能になる。
• 情報信号と人工雑音の間の最適パワー割り当てが閉形式で導出され、i.i.d. fading 環境では、信頼性の高い安全な伝送のためには情報信号パワーが閾値未満に抑える必要があることが示された。
• 相関 fading 環境では、合法ユーザーと盗聴者の信号部分空間が直交する場合、盗聴者の影響が完全に消失する。
• チャネル相関行列の低ランク性を活用した本稿のノルム空間プレフィンガーは、効果的に盗聴者のチャネルを劣化させ、秘匿性能を著しく向上させる。
• 理論的分析により、人工雑音が盗聴者の相関行列のノルム空間にアライメントされる場合に秘匿レートが最大化され、特に盗聴者のチャネルが相関的かつ低ランクである場合に顕著であることが確認された。
• シミュレーション結果は漸近的解析を検証し、強いパイロット汚染下でも、導出されたパワー割り当ておよびプレフィンギング方式が高い秘匿レートを達成できることを示している。