[論文レビュー] Physical Layer Security in Massive MIMO

Y. Ozan Basciftci, C. Emre Koksal+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、ハイブリッドジャミングおよび盗聴攻撃を受ける massive MIMO システムにおける物理層セキュリティを調査し、訓練段階のジャミングが攻撃なしの場合の最大値に等しいセキュアな自由度（DoF）を維持する一方、訓練段階のジャミングがセキュアな DoF を完全に無効化することを示している。これを是正するため、計算暗号技術を用いてパイロットシーケンスの割り当てを隠す手法を提案し、情報理論的暗号化を用いない場合でも完全なセキュアな DoF を達成可能にする。

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.

研究の動機と目的

• ハイブリッドジャミングおよび盗聴攻撃に対する massive MIMO のレジliエンスを分析すること、特に訓練段階とデータ段階の攻撃を区別すること。
• 訓練段階のジャミングがセキュアな自由度（DoF）を完全に無効化し、ユーザーの最大データレートが漸近的にゼロになることを特定すること。
• データの暗号化ではなく、パイロット信号の割り当てを計算暗号を用いて敵に隠す防御機構を提案すること。
• パイロット割り当てを隠すことで、攻撃なしの場合の最大 DoF と同一のセキュアな DoF を達成できることを示すこと。
• 非情報理論的暗号（例：Diffie-Hellman）をパイロット割り当てに適用しても、計算コストが無限に増大するため、情報理論的秘匿性と同等の実用的セキュリティを達成できることを示すこと。

提案手法

• 秘密鍵を用いてパイロットシーケンスの割り当てを暗号化する防御戦略を提案し、訓練段階中に敵からその割り当てを隠す。
• チャネル状態情報（CSI）の不確実性下でも、δ-共役ビームフォーミングと決定的符号化を用いて秘匿性を維持する。
• ジャミングに対して耐性を持つよう、L = Tr のパイロット信号セットを用い、Tr ≥ M^γ（0 < γ < 1）を満たす。
• 敵の誤情報量率を上限付け、γ + δ > 1 のとき M → ∞ で全 DoF に近づくことを示すことにより、セキュアな DoF を分析する。
• ジャミング下での達成可能レート式を導出し、レート損失が訓練段階かデータ段階のどちらがジャミングされるかに大きく依存することを示す。
• パイロット割り当てに計算暗号を適用し、敵がそれを解読する計算コストが無限に増大するため、実用的な情報理論的セキュリティを達成できることを主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 訓練段階のジャミングが massive MIMO システムにおけるセキュアな自由度（DoF）に与える影響は何か？
• RQ2 訓練段階とデータ段階の両方でジャミングと盗聴が同時に可能なハイブリッドアドバーサリーに対して、massive MIMO は情報理論的秘匿性を維持できるか？
• RQ3 Wyner風の確率的符号化を用いずに、完全なセキュアな DoF を達成することは可能か？
• RQ4 計算暗号を用いてパイロットシーケンスの割り当てを隠す手法は、データ暗号化と比較して、セキュリティおよび DoF パフォーマンスにおいてどのように異なるか？
• RQ5 訓練段階のジャミングに対し、隠されたパイロット割り当てを用いてセキュアな DoF を達成するための最小の基地局アンテナ数は何か？

主な発見

• 訓練段階のジャミングがない場合、Wyner符号化を用いなくても、massive MIMO は攻撃なしの場合の最大 DoF に等しいセキュアな DoF を達成する。
• 訓練段階のジャミングがある場合、最大セキュアな DoF はゼロに低下し、基地局アンテナ数が増加するに従い、ユーザーのデータレートは漸近的に消滅する。
• 秘密鍵を用いてパイロットシーケンスの割り当てを隠すことで、攻撃なしの場合の最大 DoF と同一のセキュアな DoF を達成できる。
• 提案された防御戦略により、γ + δ > 1 を満たす限り、基地局アンテナ数 M が増加するに従い、敵の相互情報量漏洩率はゼロに近づく。
• 非情報理論的暗号（例：Diffie-Hellman）をパイロット割り当てに適用しても、敵がそれを解読する計算コストが無限に増大するため、情報理論的秘匿性と同等の実用的セキュリティを達成できる。
• 所望のセキュリティレベルを達成するための基地局アンテナ数が明示的に定量化されており、任意の ε > 0 に対して M ≥ G(ε) が Rk/log M ≥ (Td/T)γ − ε を満たす。