[论文解读] Secure Massive MIMO Transmission in the Presence of an Active Eavesdropper

Yongpeng Wu, Robert Schober+3 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对主动窃听者在上行导频训练期间实施导频污染攻击的保密大规模MIMO传输方案。通过利用渐近分析与人工噪声（AN）预编码，作者推导出保密速率最大化的闭式最优功率分配，并提出一种利用低秩相关性结构的零空间预编码器，以中和窃听者影响，当用户与窃听者相关子空间正交时可实现完美保密。

ABSTRACT

In this paper, we investigate secure and reliable transmission strategies for multi-cell multi-user massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems in the presence of an active eavesdropper. We consider a time-division duplex system where uplink training is required and an active eavesdropper can attack the training phase to cause pilot contamination at the transmitter. This forces the precoder used in the subsequent downlink transmission phase to implicitly beamform towards the eavesdropper, thus increasing its received signal power. We derive an asymptotic achievable secrecy rate for matched filter precoding and artificial noise (AN) generation at the transmitter when the number of transmit antennas goes to infinity. For the achievability scheme at hand, we obtain the optimal power allocation policy for the transmit signal and the AN in closed form. For the case of correlated fading channels, we show that the impact of the active eavesdropper can be completely removed if the transmit correlation matrices of the users and the eavesdropper are orthogonal. Inspired by this result, we propose a precoder null space design exploiting the low rank property of the transmit correlation matrices of massive MIMO channels, which can significantly degrade the eavesdropping capabilities of the active eavesdropper.

研究动机与目标

• 为解决TDD大规模MIMO系统中主动窃听者导致的导频污染威胁，该威胁会降低合法用户性能并增强窃听能力。
• 推导在导频数趋于无穷大时，采用匹配滤波预编码与人工噪声（AN）生成的保密速率渐近可实现表达式。
• 以闭式形式确定信息信号与人工噪声之间的最优功率分配，以最大化保密速率。
• 设计一种利用信道相关矩阵低秩结构的预编码方案，以完全抵消窃听者的信道响应，尤其适用于相关衰落信道环境。
• 建立窃听者影响可被完全消除的条件，即当合法用户与窃听者的信号子空间相互正交时。

提出的方法

• 在大规模MIMO系统中，针对采用匹配滤波预编码与人工噪声的场景，推导出在大天线规模下保密速率的渐近表达式。
• 利用随机矩阵理论分析当天线数量趋于无穷大时，合法用户与窃听者信号干扰加噪声比（SINR）的渐近行为。
• 基于渐近保密速率表达式，推导出信息信号与人工噪声之间闭式最优功率分配策略。
• 提出一种零空间预编码器，通过利用大规模MIMO信道相关性的低秩特性，将人工噪声对准窃听者相关矩阵的零空间。
• 分析窃听者信道被完全抵消的条件：当合法用户与窃听者的信号子空间相互正交时。
• 通过渐近分析与仿真验证，对推导出的表达式进行理论结果验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 当主动窃听者污染上行导频训练阶段时，大规模MIMO系统中保密速率的渐近可实现率是多少？
• RQ2 在大天线规模下，如何最优地分配信息信号与人工噪声之间的功率，以最大化保密速率？
• RQ3 在相关衰落信道中，主动窃听者的影响在何种条件下可被完全消除？
• RQ4 能否利用大规模MIMO信道相关矩阵的低秩结构，设计一种能完全抵消窃听者信道的预编码器？
• RQ5 与传统方案相比，所提出的零空间预编码器在导频污染存在下的性能增益如何？

主要发现

• 针对匹配滤波预编码与人工噪声生成，推导出保密速率的闭式渐近可实现率，使系统参数可精确优化。
• 以闭式形式推导出信息信号与人工噪声之间的最优功率分配，表明在i.i.d.衰落信道中，信息信号功率必须低于某一阈值，才能实现可靠安全传输。
• 在相关衰落信道中，当合法用户与窃听者的信号子空间正交时，窃听者的影响将完全消失。
• 所提出的基于信道相关矩阵低秩特性的零空间预编码器，能有效削弱窃听者信道，显著提升保密性能。
• 理论分析证实，当人工噪声对准窃听者相关矩阵的零空间时，保密速率达到最大，尤其在窃听者信道为相关且低秩时效果更显著。
• 仿真结果验证了渐近分析的正确性，表明所推导的功率分配与预编码方案即使在强导频污染条件下，仍能实现高保密速率。