[논문 리뷰] Jamming-Aided Secure Communication in Massive MIMO Rician Channels

Jue Wang, Jemin Lee외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 23.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 라이카니 페이딩 채널에서 매크로 다수 안테나(Massive MIMO) 시스템의 보안 통신을 향상시키기 위해 기하학적 기밀 오차 영역(Geometric Secrecy Outage Region, SOR)을 도입하여 기밀 오차를 유발하는 도청자 위치를 식별한다. 기밀 오차 확률(Secrecy Outage Probability, SOP)을 유도하고, 잡음 공격이 유리한 거리 범위를 규명하며, 기밀률 최적화를 위해 정보 신호와 인공 노이즈 간 최적의 전력 할당 및 방향성 잡음 공격 기법을 설계하여, 의심스러운 각도 영역에 집중된 잡음 공격을 통해 SOP를 효율적으로 감소시킨다. 단일 및 다중 사용자 시나리오에서의 수치 결과를 통해 검증된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 라이카니 페이딩 채널에서 도청자 위치와 대규모 MIMO 빔포밍의 물리계층 보안에 미치는 영향을 분석한다.
• 기밀 오차 영역(Secrecy Outage Region, SOR)을 기하학적 기준으로 정의하여 기밀 오차를 유발하는 도청자 위치를 식별한다.
• 기밀 오차 확률(Secrecy Outage Probability, SOP)을 유도하고, 균일한 잡음 공격이 SOP를 감소시키는 데 유리한 거리 범위를 규명한다.
• 기밀률 최적화를 위해 정보 신호와 인공 노이즈 간 최적의 전력 할당을 설계한다.
• 의심스러운 각도 영역에 집중된 잡음 공격 에너지를 집중시켜 효율성을 향상시키고 SOP를 감소시키는 방향성 잡음 공격 기법을 제안한다.

제안 방법

• 채널 기하학과 라이카니 페이딩을 바탕으로, 도청자 위치(각도 및 거리)가 기밀 오차를 유발하는 영역으로 기밀 오차 영역(SOR)을 정의한다.
• 대규모 시스템 분석과 점근적 빔포밍 성질을 활용하여, 도청자 위치에 대한 기밀 오차 확률(SOP)을 유도한다.
• 인공 노이즈의 전력과 빔포밍의 정렬성 간의 상충 관계를 바탕으로, 균일한 잡음 공격이 SOP를 감소시키는 데 유리한 영역을 규명한다.
• 총 전송 전력 제약과 빔 패턴 제약 조건을 고려하여 볼록 최적화를 활용해 정보 신호와 인공 노이즈 간 최적의 전력 할당을 제안한다.
• 의심스러운 각도 영역에 대응하는 빔에 맞춰 빔포밍 벡터를 정렬함으로써 특정 빔에 집중된 잡음 신호를 공격하는 방향성 잡음 공격 기법을 도입한다.
• 의심 영역의 사전 지식이 있는지 여부에 따라 각기 다른 전력 할당 알고리즘을 개발하며, 근사화와 경계 기반 최적화를 활용하여 SOR의 면적을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 MIMO 시스템에서 안테나 수가 무한히 증가할 때, 기존의 균일한 잡음 공격이 여전히 기밀 보장을 위해 유리한가?
• RQ2 대규모 MIMO 라이카니 채널에서 방향성 잡음 공격이 균일한 잡음 공격보다 기밀 오차 확률을 감소시키는 데 더 우수한가?
• RQ3 대규모 MIMO 시스템에서 라이카니 페이딩 조건에서 기밀 오차를 유발할 수 있는 도청자들의 기하학적 영역(SOR)은 무엇인가?
• RQ4 다양한 도청자 위치 가정 조건 하에서 기밀 오차 확률(SOP)을 최소화하기 위한 정보 신호와 인공 노이즈 간 최적의 전력 할당은 무엇인가?
• RQ5 의심스러운 영역(가능한 도청자 위치)이 존재할 경우, 잡음 공격 전략의 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기밀 오차 영역(SOR)은 도청자의 각도 및 거리 매개변수에 의해 기하학적으로 정의되며, 그 면적이 SOP를 결정한다.
• 균일한 잡음 공격이 SOP를 감소시키는 데 유리한 영역이 존재하며, 특히 송신기로부터 임계 거리 범위 내에 도청자가 위치할 경우에 해당한다.
• 정보 신호와 인공 노이즈 간 최적의 전력 할당은 해석적으로 유도되었으며, 도청자 위치가 알려진 경우 최적의 잡음 비율에 대한 닫힌 형태의 해를 제공한다.
• 의심 영역이 알려진 경우, 방향성 잡음 공격은 관련 각도 빔에 집중된 잡음 전력 덕분에 균일한 잡음 공격보다 기밀 오차 확률(SOP)을 더 효과적으로 감소시킨다.
• 제안된 방향성 잡음 공격을 위한 전력 할당 알고리즘은 빔별 전력 할당에 대한 볼록 최소화 문제를 해결하여 SOR의 면적을 최소화한다.
• 수치 결과는 방향성 잡음 공격에 최적화된 전력 할당이 균일한 잡음 공격보다 기밀 오차 확률(SOP)을 상당히 감소시킴을 확인하며, 특히 다중 사용자 및 다중셀 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.