[论文解读] Universal MIMO Jammer Mitigation via Secret Temporal Subspace Embeddings

Gian Marti, Christoph Studer|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Wireless Communication Security Techniques被引用 1

一句话总结

本文提出MASH（MitigAtion via Subspace Hiding），一种新颖的MIMO干扰抑制技术，通过在秘密的时间子空间中嵌入信号，将任何类型的智能干扰器——包括全带、反应式、时变或选择性干扰——转化为等效的全带干扰。通过使用共享密钥将信号嵌入更高维的时间域子空间，接收端应用互惠变换，使合法信号被提升，所有干扰信号被证明转化为类似全带干扰的形式，从而无论干扰器行为如何，均可通过简单的MIMO方法实现抑制。

ABSTRACT

MIMO processing enables jammer mitigation through spatial filtering, provided that the receiver knows the spatial signature of the jammer interference. Estimating this signature is easy for barrage jammers that transmit continuously and with static signature, but difficult for more sophisticated jammers: Smart jammers may deliberately suspend transmission when the receiver tries to estimate their spatial signature, they may use time-varying beamforming to continuously change their spatial signature, or they may stay mostly silent and jam only specific instants (e.g., transmission of control signals). To deal with such smart jammers, we propose MASH, the first method that indiscriminately mitigates all types of jammers: Assume that the transmitter and receiver share a common secret. Based on this secret, the transmitter embeds (with a linear time-domain transform) its signal in a secret subspace of a higher-dimensional space. The receiver applies a reciprocal linear transform to the receive signal, which (i) raises the legitimate transmit signal from its secret subspace and (ii) provably transforms any jammer into a barrage jammer, which makes estimation and mitigation via MIMO processing straightforward. We show the efficacy of MASH for data transmission in the massive multi-user MIMO uplink.

研究动机与目标

• 解决智能干扰器通过暂停传输、改变波束成形或选择性干扰等方式规避传统MIMO干扰抑制技术的严峻挑战。
• 消除对干扰器行为先验知识或复杂优化的需求，通过将所有干扰器统一转化为易于抑制的全带干扰模型。
• 通过基于密钥的信号嵌入机制，在大规模多用户MIMO上行链路系统中实现通用干扰鲁棒性，同时保持与现有MIMO处理的向后兼容性。
• 证明秘密时间子空间嵌入可将任意干扰器可证明地转化为全带干扰器，从而释放空间滤波对所有干扰器类型的全部潜力。

提出的方法

• 发射端使用秘密的线性时域变换，将信号嵌入更高维空间中的秘密子空间，从而在干扰器和接收端均实现隐藏。
• 接收端对接收信号应用互惠线性变换，将合法信号从其秘密子空间中提升，并将所有干扰信号投影为等效于全带干扰的形式。
• 该方法依赖于Haar分布的变换矩阵C，确保干扰器的干扰被转化为空间各向同性、时不变的干扰模式。
• 该变换可证明地确保任何干扰器信号在变换域中均与全带干扰器无异，从而可使用标准MIMO空间滤波技术将其去除。
• 提出了MASH的三种变体——MASH-L（线性）、MASH-M（匹配滤波）和MASH-S（符号级检测），以适应大规模MU-MIMO上行链路系统中不同性能-复杂度权衡。
• 该方法仅需发射端与接收端共享一个密钥，无需了解干扰器天线数量或干扰器动态特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种通用的干扰抑制方法，使其对所有类型的智能干扰器均有效，无论其传输行为如何？
• RQ2 秘密时间子空间嵌入是否能将任意干扰器转化为全带干扰器，从而实现标准MIMO处理以实现抑制？
• RQ3 所提出的方法是否对暂停传输、波束成形变化或选择性干扰的干扰器保持鲁棒性？
• RQ4 MASH在不同干扰器类型下的性能与传统MIMO干扰抑制方法相比如何？
• RQ5 该方法能否在大规模多用户MIMO上行链路系统中高效实现，且仅需极低开销，无需预先了解干扰器信息？

主要发现

• MASH成功抑制了所有类型的干扰器，包括全带、反应式、多天线、动态波束成形、携带数据和重复干扰器，当应用于全带干扰器时，其性能与传统方法相当。
• 对于占据10个空间维度的多天线全带干扰器，MASH-L和MASH-M的性能与非MASH对应方法完全一致，证实了理论上的全带干扰模型转换。
• 非MASH基线方法在面对携带数据和动态波束成形干扰器时完全失效，而MASH方法在所有场景中均保持一致的高性能。
• 尽管重复干扰器模仿合法信号模式，MASH仍能有效抑制它，原因在于秘密子空间在循环移位下不具备不变性。
• MER和BER结果高度一致：所有干扰器类型下，基于MASH的方法均优于所有基线方法，其中MASH-M和MAED因符号级先验信息而表现出略优的MER。
• 该方法具有可证明的有效性：秘密子空间嵌入确保任何干扰器在接收端的变换域中均被转化为全带干扰器，从而实现MIMO空间滤波的通用适用性。