[논문 리뷰] Multi-antenna Wireless Legitimate Surveillance Systems: Design and Performance Analysis

Caijun Zhong, Xin Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 28.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 모니터가 공동 잡음 공급과 beamforming을 통해 가로채기 비장애 확률을 최대화하는 다중 안테나 풀디럭스 합법적 감시 시스템을 제안한다. 공간 다양성을 활용하여 단일 안테나 설정 대비 가로채기 신뢰도를 향상시키며, SISO, SIMO, MISO, MIMO 구성에서 폐쇄형 최적 잡음 전력과 효율적인 beamforming 설계를 제공한다.

ABSTRACT

To improve national security, government agencies have long been committed to enforcing powerful surveillance measures on suspicious individuals or communications. In this paper, we consider a wireless legitimate surveillance system, where a full-duplex multi-antenna legitimate monitor aims to eavesdrop on a dubious communication link between a suspicious pair via proactive jamming. Assuming that the legitimate monitor can successfully overhear the suspicious information only when its achievable data rate is no smaller than that of the suspicious receiver, the key objective is to maximize the eavesdropping non-outage probability by joint design of the jamming power, receive and transmit beamformers at the legitimate monitor. Depending on the number of receive/transmit antennas implemented, i.e., single-input single-output, single-input multiple-output, multiple-input single-output and multiple-input multiple-output (MIMO), four different scenarios are investigated. For each scenario, the optimal jamming power is derived in closed-form and efficient algorithms are obtained for the optimal transmit/receive beamforming vectors. Moreover, low-complexity suboptimal beamforming schemes are proposed for the MIMO case. Our analytical findings demonstrate that by exploiting multiple antennas at the legitimate monitor, the eavesdropping non-outage probability can be significantly improved compared to the single antenna case. In addition, the proposed suboptimal transmit zero-forcing scheme yields similar performance as the optimal scheme.

연구 동기 및 목표

• 멀리 떨어진 모니터에서 채널 품질이 열 劣하므로 전통적인 수동 감시에서 낮은 가로채기 신뢰도 문제를 해결한다.
• 단일 안테나 풀디럭스 가로채기의 한계를 극복하기 위해 다중 안테나를 활용해 공간 간섭 완화 및 beamforming 이득을 확보한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에 잡음 전력과 송신/수신 beamformer를 공동 최적화하여 가로채기 비장애 확률을 극대화한다.
• SISO, SIMO, MISO, MIMO의 네 가지 안테나 구성에서 beamforming 설계를 위한 폐쇄형 해답과 효율적 알고리즘을 제공한다.
• 실제 구현에 적합한 저복잡도 부분최적 beamforming 설계를 개발하고 성능 분석 및 고신호대역비 근사치를 제공한다.

제안 방법

• 합법적 모니터의 구현 가능한 속도가 의심스러운 수신기의 속도를 초과할 확률로 가로채기 비장애 확률을 수식화한다.
• 스토하스틱 최적화를 사용하여 SISO, SIMO, MISO, MIMO의 네 가지 안테나 구성에 대해 최적 잡음 전력의 폐쇄형 해를 유도한다.
• 전력 및 간섭 제약 조건 하에 최적의 송신 및 수신 beamforming 벡터를 효율적으로 계산하기 위해 준정방형 이완(SDR)을 적용한다.
• 세 가지 부분최적 beamforming 설계를 제안한다: TZF/MRC, MRT/RZF, MRT/MRC이며, 비장애 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 제공한다.
• 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 활용하고, 페이딩 채널 분석에서 지수 및 감마 분포를 이용한다.
• 적분 항등식과 점근적 근사치(예: 고신호대역비)를 적용하여 장애 확률 및 다양도 이득에 대한 해석 가능한 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합법적 모니터에 다중 안테나를 도입할 경우 단일 안테나 시스템 대비 가로채기 비장애 확률은 어떻게 향상되는가?
• RQ2 잔류 자기간섭을 고려한 풀디럭스 운영 조건에서 가로채기 신뢰도를 극대화하는 최적의 잡음 전력 할당은 무엇인가?
• RQ3 다양한 beamforming 전략(예: 제로포싱, 최대 비율 병합)은 시스템 성능과 다양도 이득에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 고전력 영역에서 최적 및 부분최적 beamforming 설계 간의 성능 격차는 얼마나 되는가?
• RQ5 다중 안테나 합법적 감시 시스템에서 완전한 다양도를 달성할 수 있으며, 자기간섭 제거 기술은 다양도 순서에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다중 안테나 도입은 단일 안테나 시스템 대비 가로채기 비장애 확률을 크게 향상시키며, MRC beamforming을 통해 완전한 다양도 이득을 달성할 수 있다.
• 잡음 전력과 beamformer의 공동 최적 설계는 부분최적 설계보다 우수하지만, 성능 격차는 미미하다—특히 TZF/MRC 설계는 거의 최적 성능을 달성한다.
• MRT/RZF beamforming 설계는 자기간섭 제거를 위해 한 개의 자유도를 사용하므로 MRC보다 낮은 다양도 이득을 보인다.
• 고신호대역비 근사치 분석 결과, 부분최적 설계의 비장애 확률은 수신 안테나 수와 시스템 신호대역비에 비례하여 증가함을 확인하여 강건성을 입증한다.
• 제안된 부분최적 TZF/MRC 설계는 최적 설계와 매우 유사한 성능을 보이며, 저복잡도 구현에 매우 적합한 후보이다.
• TZF/MRC 및 MRT/RZF 설계에 대해 가로채기 비장애 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하여 효율적인 시스템 평가 및 설계를 가능하게 한다.