[论文解读] 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 14

一句话总结

本文研究了在混合干扰与窃听攻击下大规模MIMO系统中的物理层安全问题，表明训练阶段的干扰不会影响安全自由度（DoF），其值等于无攻击时的最大值；而训练阶段的干扰则会使安全DoF完全归零。为应对该问题，本文提出通过计算密码学隐藏导频序列分配，从而在不使用信息论加密的情况下实现完整的安全DoF。

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.

研究动机与目标

• 分析大规模MIMO系统对混合干扰与窃听攻击的鲁棒性，尤其区分训练阶段与数据阶段攻击的影响。
• 识别出训练阶段干扰会完全消除安全自由度（DoF），导致用户速率在渐近意义上归零。
• 提出一种防御机制，利用计算密码学隐藏导频信号分配给对手，而非加密数据本身。
• 证明隐藏导频分配可使系统实现与无攻击时最大DoF相同的安全部自由度。
• 表明即使采用非信息论加密（如Diffie-Hellman），只要应用于导频分配，也能提供与信息论保密性等效的实际安全性。

提出的方法

• 提出一种防御策略，利用密钥加密导频序列分配，在训练阶段使敌方无法获知。
• 采用δ-共轭波束成形与确定性编码，在信道状态信息（CSI）不确定条件下维持保密性。
• 使用大小为L = Tr的导频信号集合，其中Tr ≥ M^γ（0 < γ < 1），以增强对干扰的鲁棒性。
• 通过限制敌方的等效速率并证明当M → ∞时，若γ + δ > 1，则等效速率趋近于完整DoF，从而分析安全DoF。
• 推导在干扰下的可实现速率表达式，表明速率损失关键取决于干扰发生在训练阶段还是数据阶段。
• 将计算密码学应用于导频分配，论证敌方破解该机制的计算成本随M增大而无界增长，从而实现实际的信息论级安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 训练阶段干扰对大规模MIMO系统中安全自由度（DoF）有何影响？
• RQ2 大规模MIMO能否在同时具备干扰与窃听能力的混合敌手下维持信息论级保密性？
• RQ3 是否可能在不使用Wyner式随机编码的情况下实现完整的安全DoF？
• RQ4 通过计算密码学隐藏导频序列分配与数据加密相比，在安全性和DoF性能方面有何差异？
• RQ5 在隐藏导频分配的训练阶段干扰下，实现安全DoF所需的最小基站天线数量是多少？

主要发现

• 在无训练阶段干扰时，大规模MIMO即使不使用Wyner编码，也能实现与无攻击时最大DoF相等的安全DoF。
• 在训练阶段干扰下，最大安全DoF降为零，且随着基站天线数增加，用户速率在渐近意义上趋于零。
• 通过密钥隐藏导频序列分配，可使系统实现与无攻击时最大DoF相同的安全DoF。
• 所提出的防御策略确保，当γ + δ > 1时，敌方的互信息泄漏率随基站天线数M增加而趋近于零。
• 即使采用非信息论级密码学（如Diffie-Hellman）应用于导频分配，也能提供与信息论保密性等效的实际安全性，因为敌方破解所需计算成本随M增长而无界。
• 明确量化了实现特定安全水平所需的基站天线数，其中当M ≥ G(ε)时，有Rk/log M ≥ (Td/T)γ − ε对任意ε > 0成立。