[论文解读] Artificial-Noise Alignment for Secure Multicast using Multiple Antennas

Ashish Khist, Dongye Zhang|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Wireless Communication Security Techniques参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多天线窃听信道中安全多播的人工噪声对齐方案，该方案在合法接收端对齐噪声以保持信号可解码，同时完全隐藏窃听者的信息。该方案在无需窃听信道状态信息的情况下实现了最优安全自由度 $ d = 1 - rac{1}{M} $，仅依赖于已知的合法信道增益和对窃听信噪比的上界。

ABSTRACT

We propose an artificial-noise alignment scheme for multicasting a common-confidential message to a group of receivers. Our scheme transmits a superposition of information and noise symbols. The noise symbols are aligned at each legitimate receiver and hence the information symbols can be decoded. In contrast, the noise symbols completely mask the information symbols at the eavesdroppers. Our proposed scheme does not require the knowledge of the eavesdropper's channel gains at the transmitter for alignment, yet it achieves the best-known lower bound on the secure degrees of freedom. Our scheme is also a natural generalization of the approach of transmitting artificial noise in the null-space of the legitimate receiver's channel, previously proposed in the literature.

研究动机与目标

• 解决传统人工噪声方案在合法接收用户数量超过发射天线数时的可扩展性限制。
• 通过多天线波束成形和人工噪声实现对多个单天线合法接收用户的共同机密信息的安全传输。
• 在发射端不掌握窃听信道增益信息的前提下，实现最优安全自由度 $ d = 1 - rac{1}{M} $。
• 通过在多个合法接收端对齐噪声，同时在窃听者处保持噪声非对齐，将零空间人工噪声技术推广至多播场景。
• 提出一种码本构造方法，确保在平均功率约束下合法接收端可靠解码，且窃听者处信息泄漏可忽略。

提出的方法

• 使用预编码器发送信息符号与人工噪声符号的叠加信号，该预编码器旨在使所有合法接收端的噪声对齐。
• 利用有理独立的信道增益构造码本，通过结构化预编码使噪声符号在所有合法接收端对齐。
• 采用基于单项集 $ au $ 和 $ ho $ 的预编码方案，生成在合法接收端对齐但在窃听者处未对齐的噪声向量。
• 通过在合法用户处将噪声对齐于维数为 $ rac{1}{M} $ 的子空间，使信息符号占据 $ 1 - rac{1}{M} $ 的自由度。
• 利用Fano不等式和互信息界分析误码率和保密泄漏，确保在信噪比增加时误码率和泄漏率趋于零。
• 使用类似格的星座图构造码本，并利用信道系数的有理独立性，实现可靠解码与保密性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多播场景中，是否可以实现人工噪声在多个合法接收端的对齐，以在保持可解码性的同时确保保密性？
• RQ2 是否可能在不掌握窃听信道状态信息的情况下实现最优安全自由度 $ d = 1 - rac{1}{M} $？
• RQ3 如何对噪声进行结构化设计，使其在合法接收端对齐但在窃听者处不对齐，即使窃听信道未知？
• RQ4 何种预编码与码本设计策略可确保合法接收端可靠解码且对窃听者的信息泄漏可忽略？
• RQ5 在仅知窃听信噪比上界和平均功率约束下，是否可使自由度最大化？

主要发现

• 所提出的噪声对齐方案实现了 $ d = 1 - rac{1}{M} $ 的安全自由度，与复合多天线窃听信道的最优上界一致。
• 该方案无需窃听信道增益信息，仅需已知最大窃听信道增益范数的上界 $ c $。
• 保密速率下界为 $ R ightarrow rac{1}{2} ig( (K+M)L(1- u) / (KL + L' + u) - 1 - o_P(1) ig) rac{1}{2} ext{log}_2 P $，当 $ N o igcirc $ 时趋近于 $ rac{1}{2}(1 - rac{1}{M}) ext{log}_2 P $。
• 通过选择 $ K = M - rac{N^{MJ_1}}{(N+1)^{MJ_1}} $，当 $ N $ 增大时，安全自由度可任意接近 $ 1 - rac{1}{M} $。
• 合法接收端的误码率随信噪比指数衰减，通过Fano不等式可确保可靠解码。
• 任一窃听者的互信息泄漏量有界且渐近趋于零，确保在高信噪比下实现完美保密。