[论文解读] Secrecy Rates in the Broadcast Channel with Confidential Messages and External Eavesdroppers

Giovanni Geraci, Sarabjot Singh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 27被引用 4

一句话总结

本文引入了带有保密消息和外部窃听者的广播信道（BCCE）模型，以建模同时面临恶意用户和随机分布外部窃听者的安全MIMO通信场景。通过结合随机几何与随机矩阵理论的大系统分析，推导出由于窃听者导致的保密中断概率和速率损失均随 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 变化，提出了一种实用的正则化参数规则，可在无需信道状态信息或窃听者位置信息的情况下实现接近最优的性能。

ABSTRACT

In this paper, we consider the broadcast channel with confidential messages and external eavesdroppers (BCCE), where a multi-antenna base station simultaneously communicates to multiple potentially malicious users, in the presence of randomly located external eavesdroppers. Using the proposed model, we study the secrecy rates achievable by regularized channel inversion (RCI) precoding by performing a large-system analysis that combines tools from stochastic geometry and random matrix theory. We obtain explicit expressions for the probability of secrecy outage and an upper bound on the rate loss due to the presence of external eavesdroppers. We show that both these quantities scale as $\frac{λ_e}{\sqrt{N}}$, where $N$ is the number of transmit antennas and $λ_e$ is the density of external eavesdroppers, irrespective of their collusion strategy. Furthermore, we derive a practical rule for the choice of the regularization parameter, which is agnostic of channel state information and location of eavesdroppers, and yet provides close to optimal performance.

研究动机与目标

• 建立一个现实的物理层安全场景模型，其中恶意用户和随机分布的外部窃听者均可截获保密消息。
• 分析在同时存在两类窃听者的情况下，正则化信道反转（RCI）预编码的保密性能。
• 量化外部窃听者对大规模MIMO系统中保密中断概率和速率损失的影响。
• 推导一种实用的、与信道无关的RCI正则化参数设置规则，以最大化保密速率性能。

提出的方法

• 构建BCCE模型，包含多天线基站、合法用户、恶意用户以及以泊松点过程建模的空间随机分布外部窃听者。
• 利用随机矩阵理论（RMT）的大系统分析工具，刻画合法用户与窃听用户处的信干噪比（SINR）。
• 采用随机几何（SG）建模外部窃听者的空间分布，并推导其SINR分布。
• 推导出在非共谋与共谋窃听者策略下，保密中断概率与平均保密速率的显式表达式。
• 基于RMT的渐近近似，简化大规模系统极限下SINR分布与保密速率的分析。
• 提出一种仅依赖系统参数的实用RCI正则化参数规则，可在无需窃听者位置或信道快衰落信息的情况下实现接近最优的保密速率性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机分布的外部窃听者如何影响具有保密消息的MIMO广播信道中的保密中断概率？
• RQ2 保密中断概率与速率损失随发射天线数和窃听者密度的变化行为如何？
• RQ3 外部窃听者的共谋策略如何影响RCI预编码的保密性能？
• RQ4 能否推导出一种实用的、与信道无关的RCI正则化参数，使其达到接近最优的保密速率性能？
• RQ5 与仅存在恶意用户的情况相比，外部窃听者导致的速率损失上限是多少？

主要发现

• 无论外部窃听者是否共谋，大系统下的保密中断概率均按 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 规模变化。
• 由外部窃听者导致的速率损失上限也按 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 规模变化，量化了外部窃听带来的性能代价。
• 所提出的正则化参数规则在无需信道状态信息或窃听者位置信息的情况下，实现了接近最优的保密速率性能。
• 显式推导出BCCE中的平均保密速率，其相对于BCC（无外部窃听者）的退化程度由 $\lambda_e / \sqrt{N}$ 规模限定。
• 分析表明，保密中断概率取决于窃听者处的SINR分布，该分布通过随机几何方法在共谋与非共谋情况下均被推导出。
• 所推导的保密中断概率与速率损失表达式为显式形式，依赖于发射功率、噪声电平和窃听者密度等系统参数。