[论文解读] Secure Directional Modulation to Enhance Physical Layer Security in IoT Networks

Feng Shu, Siming Wan+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 20被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于物联网网络中物理层安全的自适应鲁棒空域投影（AR-NSP）方案，结合波束成形与人工噪声（AN）。通过估计合法用户与窃听者的方向到达角（DOA）及信噪比（SNR），预测DOA估计误差区间，并据此设计波束成形与AN投影向量，AR-NSP方案在DOA误差区间增大时，显著降低了误比特率（BER），并提高了保密速率（SR），优于非鲁棒与非自适应鲁棒方案。

ABSTRACT

In this work, an adaptive and robust null-space projection (AR-NSP) scheme is proposed for secure transmission with artificial noise (AN)-aided directional modulation (DM) in wireless networks. The proposed scheme is carried out in three steps. Firstly, the directions of arrival (DOAs) of the signals from the desired user and eavesdropper are estimated by the Root Multiple Signal Classificaiton (Root-MUSIC) algorithm and the related signal-to-noise ratios (SNRs) are estimated based on the ratio of the corresponding eigenvalue to the minimum eigenvalue of the covariance matrix of the received signals. In the second step, the value intervals of DOA estimation errors are predicted based on the DOA and SNR estimations. Finally, a robust NSP beamforming DM system is designed according to the afore-obtained estimations and predictions. Our examination shows that the proposed scheme can significantly outperform the conventional non-adaptive robust scheme and non-robust NSP scheme in terms of achieving a much lower bit error rate (BER) at the desired user and a much higher secrecy rate (SR). In addition, the BER and SR performance gains achieved by the proposed scheme relative to other schemes increase with the value range of DOA estimation error.

研究动机与目标

• 为解决物理层安全中假设窃听者与用户位置精确已知或可预先估计的不切实际前提。
• 在方向调制（DM）系统中，提升在方向到达角（DOA）估计不确定条件下的保密性能。
• 设计一种可适应不同DOA估计误差的鲁棒波束成形与人工噪声（AN）投影策略。
• 在具有不完全信道状态信息的实际物联网与无线网络中，提升误比特率（BER）与保密速率（SR）性能。

提出的方法

• 利用根MUSIC算法与信号协方差矩阵的特征值比，估计目标用户与窃听者的DOA与SNR。
• 基于估计的DOA与SNR值，预测DOA估计误差的区间。
• 利用预测的DOA误差区间，设计用于保密信号的鲁棒空域投影（NSP）波束成形向量与AN投影向量。
• 通过在不同信道条件下对波束成形与AN投影进行平均，提升鲁棒性。
• 采用保密速率（SR）指标评估性能，采用BER指标评估合法接收端的可靠性。
• 采用信号泄漏比与噪声比（SLNR）优化框架，平衡保密性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当DOA估计误差不确定时，鲁棒波束成形与AN投影设计是否能提升保密性能？
• RQ2 在DOA估计误差区间增大的情况下，所提出的AR-NSP方案与非鲁棒及非自适应鲁棒方案相比，性能如何？
• RQ3 在方向调制系统中，DOA与SNR的自适应估计在多大程度上改善了BER与保密速率？
• RQ4 在实际物联网部署中，对信道条件平均化波束成形与AN投影是否能增强鲁棒性？

主要发现

• 所提出的AR-NSP方案在DOA估计误差区间增大时，显著低于非鲁棒NSP方案与非自适应鲁棒方案的误比特率（BER）。
• AR-NSP方案的保密速率（SR）显著高于两种基准方案，且随着DOA估计误差区间增大，性能差距进一步扩大。
• 眼图分析证实，AR-NSP方案减少了人工噪声向合法用户方向的泄漏，并将更多AN能量导向窃听者方向。
• AR-NSP方案的BER与SR性能增益随DOA估计误差的取值范围增大而提升，表明其对不确定性的良好适应能力。
• 该方案有效消除了对用户与窃听者位置完美或先验已知的不切实际假设，使其实现于物联网与5G+网络中的实际部署成为可能。