[논문 리뷰] Secrecy Rates in the Broadcast Channel with Confidential Messages and External Eavesdroppers

Giovanni Geraci, Sarabjot Singh외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 악성 사용자와 무작위로 위치한 외부 탐청자(이완)가 기밀 메시지를 탈취할 수 있는 상황을 모델링하기 위해 기밀 메시지가 있는 브로드캐스트 채널과 외부 탐청자(BCCE)를 도입한다. 스토하스틱 기하학과 랜덤 매트릭스 이론을 조합한 대규모 시스템 분석을 통해, 탐청자로 인한 비밀성 장애 확률과 비율 손실이 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 비례하여 증가함을 도출하며, 채널 상태 정보나 탐청자 위치를 알 필요 없이 거의 최적의 성능을 달성하는 실용적인 정규화 파라미터 규칙을 제안한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the broadcast channel with confidential messages and external eavesdroppers (BCCE), where a multi-antenna base station simultaneously communicates to multiple potentially malicious users, in the presence of randomly located external eavesdroppers. Using the proposed model, we study the secrecy rates achievable by regularized channel inversion (RCI) precoding by performing a large-system analysis that combines tools from stochastic geometry and random matrix theory. We obtain explicit expressions for the probability of secrecy outage and an upper bound on the rate loss due to the presence of external eavesdroppers. We show that both these quantities scale as $\frac{λ_e}{\sqrt{N}}$, where $N$ is the number of transmit antennas and $λ_e$ is the density of external eavesdroppers, irrespective of their collusion strategy. Furthermore, we derive a practical rule for the choice of the regularization parameter, which is agnostic of channel state information and location of eavesdroppers, and yet provides close to optimal performance.

연구 동기 및 목표

• 악성 사용자와 무작위로 위치한 외부 탐청자가 기밀 메시지를 탈취할 수 있는 현실적인 물리계층 보안 시나리오를 모델링하기 위해.
• 악성 사용자와 외부 탐청자 모두 존재하는 상황에서 정규화된 채널 역행(정규화된 RCI) 조절 기법의 기밀 성능을 분석하기 위해.
• 대규모 MIMO 시스템에서 외부 탐청자의 영향을 기반으로 기밀 장애 확률과 비율 손실에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 채널 상태 정보나 탐청자 위치를 알 필요 없이 거의 최적의 기밀 속도 성능을 달성하는 실용적인 RCI 정규화 파라미터 설정 규칙을 도출하기 위해.

제안 방법

• 다중 안테나 기지국, 정상 사용자, 악성 사용자, 그리고 포아송 점 프로세스로 모델링된 공간적으로 무작위로 위치한 외부 탐청자를 포함한 BCCE 모델을 수립한다.
• 랜덤 매트릭스 이론(RMT)의 도구를 사용한 대규모 시스템 분석을 적용하여 정상 사용자 및 탐청자에서의 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)를 특성화한다.
• 스토하스틱 기하학(SG)을 사용하여 외부 탐청자의 공간 분포를 모델링하고, 그들의 SINR 분포를 유도한다.
• 비협력 및 협력 탐청자 전략 모두에 대해 기밀 장애 확률과 평균 기밀 속도의 명시적 표현을 유도한다.
• RMT 기반의 점근적 근사치를 사용하여 대규모 시스템 근사에서 SINR 분포와 기밀 속도 분석을 단순화한다.
• 채널 상태 정보나 탐청자 위치를 알 필요 없이 거의 최적의 기밀 속도 성능을 달성하는 실용적인 RCI 정규화 파라미터 규칙을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위로 위치한 외부 탐청자가 기밀 메시지가 있는 MIMO 브로드캐스트 채널에서 기밀 장애 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전송 안테나 수와 탐청자 밀도에 따라 기밀 장애 확률과 비율 손실의 스케일링 행동은 어떻게 되는가?
• RQ3 외부 탐청자의 협력 전략이 RCI 조절 기법의 기밀 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 채널 상태 정보를 알 필요 없이 거의 최적의 기밀 속도 성능을 달성하는 실용적인 채널 무관 정규화 파라미터를 유도할 수 있는가?
• RQ5 외부 탐청자가 존재할 경우, 악성 사용자만 존재하는 시스템 대비 비율 손실의 상한선은 얼마인가?

주요 결과

• 대규모 시스템에서의 기밀 장애 확률은 외부 탐청자가 협력하든 그렇지 않든 간에 항상 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 비례하여 증가한다.
• 외부 탐청자로 인한 비율 손실의 상한선 역시 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 비례하여 증가하며, 이는 외부 탐청자로 인한 성능 저하를 정량화한다.
• 제안된 정규화 파라미터 규칙은 채널 상태 정보나 탐청자 위치를 알 필요 없이 거의 최적의 기밀 속도 성능을 달성한다.
• BCCE에서 평균 기밀 속도를 명시적으로 도출하였으며, 이는 외부 탐청자가 없는 BCC 시스템 대비 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 스케일링에 의해 제한된다.
• 분석 결과, 기밀 장애 확률은 탐청자에서의 SINR 분포에 의존하며, 이는 비협력 및 협력 경우 모두에 대해 스토하스틱 기하학을 사용해 도출된다.
• 기밀 장애 및 비율 손실에 대한 유도된 표현은 명시적이며, 전송 전력, 노이즈, 탐청자 밀도와 같은 시스템 파라미터에 의존한다.