[論文レビュー] Secure Degrees of Freedom of the MIMO Multiple Access Channel with Multiple unknown Eavesdroppers

Mohamed Amir, Tamer Khattab+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、最大 $N_E$ のアンテナを持つ複数の盗聴者を有する2つの送信機、正当な受信機を有するMIMO複数アクセスチャネルにおける正確なセキュアドリーブス・オブ・フリーダム（SDoF）を確立する。協力ジャミング方式として、ヌル空間、アライメント、ランダムジャミングを用いたもので、導出された上限に到達し、瞬時の盗聴者CSIがなくてもSDoFが最適であることを証明する。合計SDoFは $\frac{\max(M_1,N) + \max(M_2,N) - N_E}{2}$ で与えられる。

ABSTRACT

We investigate the secure degrees of freedom (SDoF) of a two-transmitter Gaussian multiple access channel with multiple antennas at the transmitters, the legitimate receiver with the existence of an unknown number of eavesdroppers each with a number of antennas less than or equal to a known value $N_E$. The channel matrices between the legitimate transmitters and the receiver are available everywhere, while the legitimate pair does not know the eavesdroppers' channels matrices. We provide the exact sum SDoF for the considered system. A new comprehensive upperbound is deduced and a new achievable scheme based on utilizing jamming is exploited. We prove that Cooperative Jamming is SDoF optimal even without the instantaneous eavesdropper CSI available at the transmitters.

研究の動機と目的

• 複数の未知の盗聴者（各々最大 $N_E$ アンテナ）を有するMIMO複数アクセスチャネルにおけるセキュアドリーブス・オブ・フリーダム（SDoF）を特定すること。
• 部分的または完全に盗聴者チャネル状態情報（CSI）が得られない状況、特に2次モーメント統計しか入手できない状況におけるSDoFのオープンな問題に取り組むこと。
• 瞬時の盗聴者CSIが欠落している状況でも、導出されたSDoF上限に到達する最適な送信方式を開発すること。
• 盗聴者チャネル行列の知識が完全にない状況でも、協力ジャミングがSDoFで最適であることを証明すること。

提案手法

• 未知の盗聴者チャネルを有するMIMOMACにおける合計SDoFの包括的で新しい上界を導出する。
• 各送信機の信号を、チャネル状態に応じて3つの部分に分割する、画期的なジャミング戦略を提案する：ヌル空間ジャミング、アライメントジャミング、ランダムジャミング。
• ヌル空間ジャミングを用いて、盗聴者のヌル空間に干渉をアライメントさせる一方、アライメントジャミングを用いて盗聴者における干渉を最大限に高める。
• アライメントが不十分な場合に、受信性能をさらに劣化させるためにランダムジャミングを用いる。
• 送信パワーと空間ビームフォーミングに基づいてジャミング信号を構築する方式を設計し、盗聴者CSIに依存しないようにする。
• 受信機において正当な信号空間とジャミング空間が重複しないことを証明するため、$N - J_s \geq M - N_E$ を満たすようにする。ここで $J_s$ は合計ジャミング次元を表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの送信機を有するMIMO複数アクセスチャネルに、最大 $N_E$ アンテナを持つ複数の未知の盗聴者が存在する場合、正確な合計セキュアドリーブス・オブ・フリーダム（SDoF）は何か？
• RQ2 送信機が盗聴者チャネル行列の瞬時の知識を持たない状況でも、協力ジャミングは最適なSDoFに到達できるか？
• RQ3 盗聴者チャネルが未知である場合と、時間変動するが既知である場合とで、合計SDoFは同一のままであるか？
• RQ4 盗聴者アンテナ数（$N_E$）が、$N_E \geq M_1 + M_2$ または $N_E \geq N$ の場合に、実現可能なSDoFに与える影響は何か？
• RQ5 $M_1$, $M_2$, $N$, $N_E$ のすべての構成に適用可能な統一されたSDoF式を導出できるか？

主な発見

• 複数の未知の盗聴者を有するMIMOMACにおける正確な合計SDoFは $\frac{\max(M_1,N) + \max(M_2,N) - N_E}{2}$ であり、$M_1, M_2, N, N_E$ のすべての組み合わせに適用可能である。
• 提案された協力ジャミング方式は導出された上限に到達し、瞬時の盗聴者CSIがなくても最適であることを証明する。
• この方式は、ヌル空間、アライメント、ランダムジャミングの組み合わせを用いており、送信機および盗聴者のアンテナ数に応じて動的に適応する。
• $N_E \geq M_1 + M_2$ または $N_E \geq N$ の場合、SDoFはゼロに収束し、安全な通信が不可能であることを示している。
• 上界は従来の結果よりもきついものであり、文献における未知の盗聴者を有するMIMOMACのSDoFに関するオープンな問題を解決する。
• SDoFは、盗聴者チャネルが完全に未知であっても、ジャミング信号をアライメントおよびパワー制御することで最大化可能であることが示された。