[论文解读] Multi-antenna Wireless Legitimate Surveillance Systems: Design and Performance Analysis

Caijun Zhong, Xin Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用 7

一句话总结

本文提出了一种多天线全双工合法监控系统，其中监控节点通过联合干扰和波束成形技术最大化窃听非中断概率。通过利用空间分集增益，该系统在单天线系统之上显著提升了窃听可靠性，针对SISO、SISO、MISO和MIMO配置，给出了干扰功率的闭式最优解和高效的波束成形设计。

ABSTRACT

To improve national security, government agencies have long been committed to enforcing powerful surveillance measures on suspicious individuals or communications. In this paper, we consider a wireless legitimate surveillance system, where a full-duplex multi-antenna legitimate monitor aims to eavesdrop on a dubious communication link between a suspicious pair via proactive jamming. Assuming that the legitimate monitor can successfully overhear the suspicious information only when its achievable data rate is no smaller than that of the suspicious receiver, the key objective is to maximize the eavesdropping non-outage probability by joint design of the jamming power, receive and transmit beamformers at the legitimate monitor. Depending on the number of receive/transmit antennas implemented, i.e., single-input single-output, single-input multiple-output, multiple-input single-output and multiple-input multiple-output (MIMO), four different scenarios are investigated. For each scenario, the optimal jamming power is derived in closed-form and efficient algorithms are obtained for the optimal transmit/receive beamforming vectors. Moreover, low-complexity suboptimal beamforming schemes are proposed for the MIMO case. Our analytical findings demonstrate that by exploiting multiple antennas at the legitimate monitor, the eavesdropping non-outage probability can be significantly improved compared to the single antenna case. In addition, the proposed suboptimal transmit zero-forcing scheme yields similar performance as the optimal scheme.

研究动机与目标

• 解决传统被动监控中因远距离监控节点信道质量差而导致的窃听可靠性低下的问题。
• 通过利用多天线技术实现空间干扰抑制和波束成形增益，克服单天线全双工窃听的局限性。
• 在实际硬件约束下，通过联合优化干扰功率与发射/接收波束成形波束，最大化窃听非中断概率。
• 为四种天线配置（SISO、SIMO、MISO和MIMO）提供闭式解和高效波束成形设计算法。
• 设计低复杂度的次优波束成形方案，并进行性能分析与高信噪比近似，以支持实际部署。

提出的方法

• 将窃听非中断概率建模为合法监控节点的可实现速率超过可疑接收机速率的概率。
• 利用随机优化方法，为四种天线配置（SISO、SIMO、MISO、MIMO）推导出干扰功率的闭式最优解。
• 采用半定松弛（SDR）方法，在功率和干扰约束下高效计算最优发射与接收波束成形向量。
• 提出三种次优波束成形方案：TZF/MRC、MRT/RZF 和 MRT/MRC，并为非中断概率提供闭式表达式。
• 利用统计信道状态信息（CSI），并借助指数分布和伽马分布对衰落信道进行性能分析。
• 应用积分恒等式与渐近近似（如高信噪比）推导出可计算的中断概率与分集增益表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单天线系统相比，合法监控节点部署多天线如何提升窃听非中断概率？
• RQ2 在全双工工作模式和残留自干扰条件下，如何实现最大化窃听可靠性的最优干扰功率分配？
• RQ3 不同波束成形策略（如迫零波束成形、最大比合并）如何影响系统性能与分集增益？
• RQ4 在高功率区域，最优与次优波束成形方案之间的性能差距如何？
• RQ5 多天线合法监控系统能否实现全分集增益？自干扰消除对分集阶数有何影响？

主要发现

• 与单天线系统相比，多天线部署显著提升了窃听非中断概率，通过MRC波束成形可实现全分集增益。
• 联合优化干扰功率与波束成形波束的最优设计优于次优方案，但性能差距较小——尤其TZF/MRC方案可实现接近最优的性能。
• 由于需使用一个自由度进行自干扰消除，MRT/RZF波束成形方案的分集增益低于MRC。
• 高信噪比近似表明，次优方案的非中断概率随接收天线数和系统信噪比呈比例增长，验证了其鲁棒性。
• 所提出的次优TZF/MRC方案性能非常接近最优方案，是低复杂度部署的有力候选。
• 为TZF/MRC和MRT/RZF方案推导出窃听非中断概率的闭式表达式，支持高效系统评估与设计。