[논문 리뷰] Data-Aided Secure Massive MIMO Transmission with Active Eavesdropping

Yongpeng Wu, Chao-Kai Wen외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 활성 탈취자에 의해 상향링크 파ilot 및 데이터 전송 단계를 모두 방해하는 TDD 다셀 시스템에서 데이터 보조 보안 대량 MIMO 전송 방식을 제안한다. 상향링크 파ilot 및 데이터를 이용한 채널 추정을 통해, 전력 차이로 인한 수렴적 고유공간 분리 특성을 활용함으로써, 강력한 활성 공격 조건에서도 상당한 기밀 전송률 향상을 달성할 수 있는 효과적인 선형화가 가능해진다. 이는 탈취자의 신호 전력이 정상 사용자보다 높은 경우에도 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상향링크 훈련 및 데이터 전송 단계를 방해하는 활성 탈취자에 의해 초래되는 심각한 보안 위협을 해결하기 위해.
• 강력한 파이лот 오염 공격 조건에서 실패하는 전통적인 물리계층 보안 설계의 한계를 극복하기 위해.
• 향상된 채널 추정 및 기밀 전송률 성능을 위해 상향링크 데이터 및 파이롯을 활용하는 보안 다운링크 전송 방식을 개발하기 위해.
• 대량 안테나 환경에서 신호 전력 차이가 정상 사용자와 탈취자 간 고유공간 분리를 이끌어내며, 이에 대한 이론적 분석과 이를 입증하기 위해.
• 제안된 데이터 보조 보안 전송 방식의 점점 증가하는 기대 기밀 합전송률 표현식을 유도하기 위해.

제안 방법

• 기지국은 상향링크 파이롯 및 상향링크 데이터 신호를 모두 사용하여 채널을 추정함으로써, 탈취자에 의한 간섭에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 전송 안테나 수와 데이터 심볼 수가 증가함에 따라, 서로 다른 전력 수준으로 인해 목적 사용자 및 탈취자 신호가 상향링크 수신 신호 행렬의 서로 다른 고유공간에 위치하게 된다는 사실을 활용한다.
• 활성 탈취 상황에서도 정확도를 높이기 위해 데이터 보조 채널 추정 방법을 개발하여, 더 나은 선형화 설계를 가능하게 한다.
• 기밀 합전송률을 점점 증가하는 수치로 분석하여, 탈취자 간섭과 채널 추정 오차의 영향을 반영한 폐형 표현식을 도출한다.
• 추정된 채널 기반으로 기밀 전송률을 최대화하기 위한 선형화를 설계하며, 강력한 활성 공격 조건 하에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈취자가 상향링크 훈련 및 데이터 전송을 활성적으로 방해할 경우, 대량 MIMO 시스템에서 정상 사용자와 탈취자 간 고유공간 분리를 달성할 수 있는가?
• RQ2 강력한 활성 탈취 상황에서 상향링크 데이터를 채널 추정에 활용할 경우 기밀 성능 향상이 이루어지는가?
• RQ3 전송 안테나 수와 데이터 심볼 수가 모두 무한대에 접근할 때, 활성 탈취 조건 하에서 기밀 합전송률의 점점 증가하는 행동은 어떠한가?
• RQ4 기존 직관과는 반대로, 정상 사용자 신호 전력을 감소시키는 것이 강력한 탈취자 존재 조건에서 보안을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 강력한 활성 공격 조건 하에서 제안된 데이터 보조 방식이 기존의 매칭 필터 선형화 및 인공 노이즈 기반 방식과 비교해 어떻게 성능을 냅니다?

주요 결과

• 전송 안테나 수와 데이터 심볼 수가 모두 무한대에 접근할 때, 서로 다른 전력 수준으로 인해 목적 사용자 및 탈취자 신호는 상향링크 수신 신호 행렬의 서로 다른 고유공간에 위치하게 된다.
• 제안된 방식은 이 고유공간 분리를 활용하여 기존 설계 대비 상당한 기밀 전송률 향상을 달성한다—특히 강력한 활성 공격 조건에서 성능 향상이 두드러진다.
• 점점 증가하는 기대 기밀 합전송률 표현식을 도출하였으며, 이는 안테나 수가 증가함에 따라 탈취자의 효과적 채널 이득이 점점 사라짐을 보여준다.
• 분석 결과, 정상 사용자와 탈취자 간 전력 갭을 증가시키면 고유공간 분리가 더욱 뚜렷해지므로, 일부 경우에서 정상 사용자 신호 전력을 감소시키는 것이 유리함을 확인하였다.
• 수치 결과는 제안된 데이터 보조 방식이 강력한 활성 탈취 조건 하에서 기존의 매칭 필터 선형화 및 인공 노이즈 기반 방식보다 기밀 전송률 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인하였다.