[论文解读] Jamming-Aided Secure Communication in Massive MIMO Rician Channels

Jue Wang, Jemin Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文通过引入一种几何保密中断区域（SOR），在大规模MIMO瑞利衰落信道中提出一种助干扰的安全通信方案，以识别导致保密中断的窃听者位置。该文推导了保密中断概率（SOP），识别出一种有益于干扰的传输距离范围，并设计了最优功率分配与定向干扰方案，通过聚焦干扰于可疑的角域区域，高效降低SOP，其性能在单用户与多用户场景中均通过数值结果得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the artificial noise-aided jamming design for a transmitter equipped with large antenna array in Rician fading channels. We figure out that when the number of transmit antennas tends to infinity, whether the secrecy outage happens in a Rician channel depends on the geometric locations of eavesdroppers. In this light, we first define and analytically describe the secrecy outage region (SOR), indicating all possible locations of an eavesdropper that can cause secrecy outage. After that, the secrecy outage probability (SOP) is derived, and a jamming-beneficial range, i.e., the distance range of eavesdroppers which enables uniform jamming to reduce the SOP, is determined. Then, the optimal power allocation between messages and artificial noise is investigated for different scenarios. Furthermore, to use the jamming power more efficiently and further reduce the SOP, we propose directional jamming that generates jamming signals at selected beams (mapped to physical angles) only, and power allocation algorithms are proposed for the cases with and without the information of the suspicious area, i.e., possible locations of eavesdroppers. We further extend the discussions to multiuser and multi-cell scenarios. At last, numerical results validate our conclusions and show the effectiveness of our proposed jamming power allocation schemes.

研究动机与目标

• 分析窃听者位置与大规模MIMO波束成形对瑞利衰落信道中物理层安全的影响。
• 将保密中断区域（SOR）定义为一种几何准则，用于识别导致保密中断的窃听者位置。
• 推导保密中断概率（SOP），并识别出均匀干扰可降低SOP的有益干扰距离范围。
• 设计信息信号与人工噪声之间的最优功率分配，以实现保密速率最大化。
• 提出定向干扰技术，将干扰能量集中于可疑的角域区域，以提高效率并降低SOP。

提出的方法

• 基于信道几何与瑞利衰落特性，将保密中断区域（SOR）定义为导致保密中断的窃听者位置集合（角度与距离）。
• 利用大系统分析与渐近波束成形特性，推导SOP作为窃听者位置的函数。
• 基于人工噪声功率与波束成形波束宽度之间的权衡，识别出均匀干扰可降低SOP的有益干扰范围。
• 采用凸优化方法，考虑总发射功率约束与波束成形约束，提出信息信号与人工噪声之间的最优功率分配方案。
• 提出定向干扰技术，将干扰信号集中于选定波束（映射至物理角度），并使用与可疑角域区域对齐的波束成形向量。
• 针对已知与未知可疑区域两种情况，分别设计功率分配算法，采用近似方法与基于边界优化的方法，以最小化SOR区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 当天线数量趋于无穷大时，传统的均匀干扰在大规模MIMO系统中是否仍对保密性有益？
• RQ2 在大规模MIMO瑞利衰落信道中，定向干扰是否能优于均匀干扰以降低保密中断概率？
• RQ3 在具有瑞利衰落的大规模MIMO系统中，哪些几何区域（SOR）的窃听者可能引发保密中断？
• RQ4 在不同窃听者位置假设下，信息信号与人工噪声之间的最优功率分配为何值，可使SOP最小化？
• RQ5 可疑区域（可能的窃听者位置）的存在如何影响干扰策略的设计与性能？

主要发现

• 保密中断区域（SOR）由窃听者的角度与距离参数几何定义，其面积决定了SOP。
• 存在一个有益于干扰的范围，当窃听者位于从发射端出发的临界距离范围内时，均匀干扰可降低SOP。
• 信息信号与人工噪声之间的最优功率分配已通过解析方法推导得出，在已知窃听者位置时，可获得最优干扰功率比的闭式解。
• 当可疑区域已知时，定向干扰通过将干扰功率集中于相关角域波束，比均匀干扰更有效地降低SOP。
• 所提出的定向干扰功率分配算法通过求解波束特定功率分配下的凹函数最小化问题，有效最小化SOR区域。
• 数值结果表明，与均匀干扰相比，采用优化功率分配的定向干扰显著降低了SOP，尤其在多用户与多小区场景中表现更优。