[논문 리뷰] Physical Layer Security in Massive MIMO

Y. Ozan Basciftci, C. Emre Koksal외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 03.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 14인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 조작 및 도청 공격 하에서 대량 MIMO 시스템의 물리계층 보안을 조사하며, 훈련 단계 조작이 공격이 없을 경우의 최대값과 동일한 안전한 도자이 펄스 수(DoF)를 유지하는 반면, 훈련 단계 조작은 안전한 DoF를 완전히 무효화함을 보여준다. 이를 해결하기 위해 계산 기반 암호화를 통해 펄스 시퀀스 할당을 숨기는 방법을 제안하여, 정보 이론적 암호화 없이도 최대 안전한 DoF를 달성한다.

ABSTRACT

We consider a single-cell downlink massive MIMO communication in the presence of an adversary capable of jamming and eavesdropping simultaneously. We show that massive MIMO communication is naturally resilient to no training-phase jamming attack in which the adversary jams only the data communication and eavesdrops both the data communication and the training. Specifically, we show that the secure degrees of freedom (DoF) attained in the presence of such an attack is identical to the maximum DoF attained under no attack. Further, we evaluate the number of antennas that base station (BS) requires in order to establish information theoretic security without even a need for Wyner encoding. Next, we show that things are completely different once the adversary starts jamming the training phase. Specifically, we consider an attack, called training-phase jamming in which the adversary jams and eavesdrops both the training and the data communication. We show that under such an attack, the maximum secure DoF is equal to zero. Furthermore, the maximum achievable rates of users vanish even in the asymptotic regime in the number of BS antennas. To counter this attack, we develop a defense strategy in which we use a secret key to encrypt the pilot sequence assignments to hide them from the adversary, rather than encrypt the data. We show that, if the cardinality of the set of pilot signals are scaled appropriately, hiding the pilot signal assignments from the adversary enables the users to achieve secure DoF, identical to the maximum achievable DoF under no attack. Finally, we discuss how computational cryptography is a legitimate candidate to hide the pilot signal assignments. Indeed, while information theoretic security is not achieved with cryptography, the computational power necessary for the adversary to achieve a non-zero mutual information leakage rate goes to infinity.

연구 동기 및 목표

• 훈련 단계와 데이터 단계 공격을 구분하여 대량 MIMO의 하이브리드 조작 및 도청 공격에 대한 내성에 대해 분석한다.
• 훈련 단계 조작이 안전한 도자이 펄스 수(DoF)를 완전히 무효화하여, 사용자 수신률이 점 渐차적으로 0이 되는 것을 규명한다.
• 데이터를 암호화하는 대신, 계산 기반 암호화를 사용해 적대자로부터 펄스 신호 할당을 숨기는 방어 기법을 제안한다.
• 펄스 할당을 숨기는 것이 공격이 없을 경우의 최대 DoF와 동일한 안전한 DoF를 달성할 수 있음을 보여준다.
• 비정보 이론적 암호화(예: 디피 헬먼)를 펄스 할당에 적용해도 정보 이론적 비밀유지와 동일한 실용적 보안 수준을 달성할 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 비밀 키를 사용해 훈련 단계 동안 적대자로부터 펄스 시퀀스 할당을 암호화하는 방어 전략을 제안한다.
• 채널 상태 정보(CSI)의 불확실성 하에서도 비밀성을 유지하기 위해 δ-공액 beamforming과 결정론적 인코딩을 활용한다.
• 조작에 강건성을 확보하기 위해 크기가 L = Tr인 펄스 신호 집합을 사용하며, Tr ≥ M^γ (0 < γ < 1) 조건을 만족시킨다.
• 적대자의 에quivo케이션 비율을 경계함으로써 안전한 DoF를 분석하고, γ + δ > 1일 때 M → ∞로 갈수록 안전한 DoF가 최대값에 수렴함을 보여준다.
• 조작 하에서의 실현 가능한 전송 속도 표현식을 유도하며, 손실된 전송 속도가 조작이 훈련 단계인지 데이터 단계인지에 따라 크게 달라짐을 밝힌다.
• 펄스 할당에 계산 기반 암호화를 적용하여, 적대자가 이를 해독하기 위한 계산 비용이 무한히 증가함으로써 실용적인 정보 이론적 보안을 달성함을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 훈련 단계 조작이 대량 MIMO 시스템의 안전한 도자이 펄스 수(DoF)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 하이브리드 적대자(동시 조작 및 도청 가능)가 존재할 경우 대량 MIMO는 정보 이론적 비밀을 유지할 수 있는가?
• RQ3 와이너 스타일의 확률적 인코딩 없이도 최대 안전한 DoF를 달성할 수 있는가?
• RQ4 계산 기반 암호화를 통해 펄스 시퀀스 할당을 숨기는 것과 데이터 암호화를 비교할 때 보안 및 DoF 성능에서의 차이는 무엇인가?
• RQ5 훈련 단계 조작이 존재할 경우, 펄스 할당을 숨긴 상태에서 안전한 DoF를 달성하기 위해 필요한 기지국 안테나 수의 최소값은 얼마인가?

주요 결과

• 훈련 단계 조작이 없을 경우, 와이너 인코딩 없이도 대량 MIMO는 공격이 없을 경우의 최대 DoF와 동일한 안전한 DoF를 달성한다.
• 훈련 단계 조작이 있을 경우, 최대 안전한 DoF는 0으로 감소하며, 기지국 안테나 수가 증가함에 따라 사용자 수신률은 점 渐차적으로 0이 된다.
• 비밀 키를 사용해 펄스 시퀀스 할당을 숨기면, 공격이 없을 경우의 최대 DoF와 동일한 안전한 DoF를 달성할 수 있다.
• 제안된 방어 전략은 γ + δ > 1 조건을 만족할 경우, 기지국 안테나 수 M이 증가함에 따라 적대자의 상호정보량 누출률이 0에 수렴함을 보장한다.
• 비정보 이론적 암호화(예: 디피 헬먼)를 펄스 할당에 적용해도, 적대자가 이를 해독하기 위한 계산 비용이 무한히 증가하므로 정보 이론적 비밀 유지와 동일한 실용적 보안 수준을 달성할 수 있다.
• 목표 보안 수준을 달성하기 위해 필요한 기지국 안테나 수가 명시적으로 정량화되었으며, 임의의 ε > 0에 대해 M ≥ G(ε)이면 Rk/log M ≥ (Td/T)γ − ε를 확보할 수 있다.