WikiEdge:ArXiv-2408.17169v1

本文的基本信息如下：

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• 標題：Secure Transmission in Cell-Free Massive MIMO under Active Eavesdropping
• 中文標題：蜂窩自由大規模MIMO中的安全傳輸在主動竊聽下
• 發布日期：2024-08-30T10:15:32+00:00
• 作者：Yasseen Sadoon Atiya, Zahra Mobini, Hien Quoc Ngo, Michail Matthaiou
• 分類：cs.IT, math.IT
• 原文鏈接：http://arxiv.org/abs/2408.17169v1

摘要：我們研究了在具有多天線接入點（AP）和保護性部分零迫（PPZF）預編碼的無蜂窩大規模多輸入多輸出（CF-mMIMO）系統中的安全通信。特別地，我們考慮了一種主動竊聽攻擊，其中竊聽者通過發送與合法用戶相同的導頻序列來污染上行鏈路信道估計階段。我們制定了一個優化問題，以最大化合法用戶的接收信噪比（SINR），同時限制竊聽者的最大允許SINR和每個AP的最大傳輸功率，並保證其他合法用戶的特定SINR要求。該優化問題通過路徑跟隨算法求解。我們還提出了一種基於大規模的貪婪AP選擇方案，以提高保密頻譜效率（SSE）。最後，我們提出了一種簡單的方法來識別系統中竊聽者的存在。我們的研究結果表明，PPZF可以通過提供比傳統最大比傳輸（MRT）方案高約2倍的SSE顯著優於MRT方案。更重要的是，對於PPZF預編碼方案，我們提出的AP選擇可以實現高達220%的顯著SSE增益，而我們的功率優化方法可以比具有等功率分配的CF-mMIMO系統提供高達55%的額外增益。

章節摘要

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這份文件是一篇關於無線通信安全領域的研究論文，論文的主要內容可以概括如下：

1. 引言：介紹了無單元大規模多輸入多輸出（CF-mMIMO）系統在新一代無線網絡中的潛力，以及在面對主動竊聽攻擊時保持通信安全的重要性。特別關注了在上行鏈路訓練階段通過發送與合法用戶相同的導頻序列來污染信道估計的主動竊聽攻擊。
2. 系統模型：構建了一個包含多個天線接入點（APs）和單一天線用戶的CF-mMIMO系統模型，並考慮了單一天線的主動竊聽者。詳細描述了系統在時間分割雙工（TDD）操作下的信道模型、上行鏈路訓練階段和下行鏈路數據傳輸階段。
3. 安全性能分析：評估了在主動竊聽攻擊下，採用保護性部分零強制（PPZF）預編碼的CF-mMIMO系統的保密性能。推導出了合法用戶和竊聽者的頻譜效率（SE）的封閉形式表達式，並據此計算了保密頻譜效率（SSE）。
4. 接入點選擇和功率優化：
   • 接入點選擇：提出了一種基於大規模衰落的貪婪算法來選擇服務特定用戶的APs，以提高SSE。
   • 功率優化：形成了一個優化問題，目標是在保證合法用戶特定服務質量（QoS）要求和每個AP的最大傳輸功率的同時，最大化被攻擊用戶的接收信噪比（SINR），同時將竊聽者的SINR限制在最大允許值以下。
5. 竊聽攻擊檢測：提出了一種基於接收導頻信號平均功率的新方法，用於在系統中檢測竊聽者的存在，並確定哪個用戶被攻擊。該方法可以在每個AP上獨立實現，而無需APs之間交換接收到的導頻信號。
6. 模擬結果：通過模擬驗證了所提出的AP選擇和功率分配方案的有效性，並比較了PPZF和最大比傳輸（MRT）預編碼方案在不同系統參數下的性能。
7. 結論：總結了研究成果，指出在面對主動竊聽攻擊時，PPZF預編碼方案相比MRT方案能顯著提高CF-mMIMO系統的SSE。同時，提出的AP選擇和功率優化方法能夠為系統提供顯著的性能增益。

研究背景

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這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

1. 無單元大規模多輸入多輸出（Cell-Free Massive MIMO）技術的前景：
   • 無單元大規模MIMO被視為下一代無線網絡的有前途技術之一。通過打破蜂窩邊界的概念，部署大量地理分布的接入點（APs），並在相同的時間和頻率資源上協同服務用戶，它利用了包括大規模MIMO、分布式天線系統和協同多點聯合傳輸在內的最新技術的所有優勢。
   • 無單元大規模MIMO系統通過將APs地理上更接近用戶，從而為所有用戶提供無縫且無需切換的服務，同時利用宏分集增益和低路徑損耗。
2. 主動竊聽攻擊對系統安全的威脅：
   • 分布式網絡架構雖然實現了高譜效率的無處不在的覆蓋，但也增加了無單元大規模MIMO系統對惡意竊聽者的脆弱性，尤其是當APs和用戶數量增加時。
   • 由於APs在覆蓋區域內密集分布，APs與用戶或潛在竊聽者之間的距離縮短，這可能增加了機密信息泄露的風險。因此，無單元大規模MIMO系統針對竊聽和網絡物理攻擊的安全性具有重要的實際意義。
3. 物理層安全技術在大規模MIMO系統中的應用：
   • 近年來，對在大規模MIMO系統中實施物理層安全技術的研究興趣激增。特別是，提出了各種方法來檢測主動的竊聽攻擊，並增強大規模MIMO系統的安全性，包括使用合作干擾和人工噪聲來降低竊聽率，或使用資源分配技術和波束成形設計來加強合法鏈路。
4. 多天線接入點的無單元大規模MIMO系統的安全性研究：
   • 儘管現有研究傾向於研究具有單天線APs的無單元大規模MIMO系統的保密性能，但當在APs部署多天線時，無單元大規模MIMO可以更好地利用蜂窩大規模MIMO的信道硬化效應。

綜上所述，這篇文獻的背景強調了在無單元大規模MIMO系統中，特別是在面對主動竊聽攻擊時，採用先進的分布式預編碼技術來表徵系統的保密性能的重要性和迫切性。

問題與動機

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作者面對的是無線通信領域中，特別是在無單元大規模多輸入多輸出（Cell-Free Massive MIMO）系統中，如何提高通信的安全性問題。具體問題包括：

• 主動竊聽攻擊問題：在無單元大規模MIMO系統中，由於接入點（APs）地理分布廣泛，潛在的竊聽者與用戶或接入點之間的距離縮短，增加了信息泄露的風險，特別是在主動竊聽者通過發送相同的導頻序列污染上行鏈路估計階段時。
• 物理層安全技術應用問題：在大規模MIMO系統中，如何有效應用物理層安全技術來抵禦竊聽和網絡物理攻擊，特別是在面對主動竊聽攻擊時，如何設計有效的檢測和防禦機制。
• 功率控制與用戶選擇問題：在無單元大規模MIMO系統中，如何通過功率控制和接入點選擇來最大化用戶的信號干擾噪聲比（SINR），同時限制竊聽者的SINR，以提高系統的保密頻譜效率（SSE）。

研究方法

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這篇文獻的工作部分詳細介紹了如何在無單元大規模多輸入多輸出（CF-mMIMO）系統中，針對主動竊聽攻擊，使用多天線接入點（APs）和保護性部分零強制（PPZF）預編碼來提高通信的安全性。以下是這部分的主要內容：

1. 系統模型構建：
   • 構建了一個包含L個APs和K個單天線用戶的CF-mMIMO系統模型。同時，考慮了一個單天線的主動竊聽者E，該竊聽者通過發送與合法用戶相同的導頻序列來污染上行鏈路信道估計階段。
2. 預編碼設計：
   • 為了在下行數據傳輸階段提高信號傳輸質量，採用了PPZF預編碼方案。該方案旨在通過部分消除對強用戶造成的干擾，同時保護弱用戶免受干擾，以實現期望信號增益和干擾消除之間的平衡。
3. 優化問題求解：
   • 提出了一個優化問題，目標是在保證每個AP的最大傳輸功率、合法用戶的特定服務質量（QoS）要求以及竊聽者的最大允許信噪比（SINR）的約束下，最大化被攻擊用戶的接收SINR。該優化問題通過路徑跟蹤算法求解。
4. 接入點選擇和功率優化：
   • 提出了一種基於大規模衰落的貪婪AP選擇方案，以及一種功率優化方法，旨在提高系統的保密頻譜效率（SSE）。通過選擇性地激活對系統SSE貢獻最大的APs，並優化每個AP的功率分配，以增強合法鏈路的同時抑制竊聽鏈路。
5. 竊聽攻擊檢測：
   • 開發了一種基於接收導頻信號平均功率的竊聽攻擊檢測方法。該方法能夠在不需要用戶即時信道狀態信息（CSI）的情況下，通過比較接收導頻信號的平均功率與理論值來檢測竊聽攻擊的存在。
6. 數值結果分析：
   • 通過數值模擬驗證了所提方法的有效性。模擬結果顯示，PPZF預編碼方案相比傳統的最大比傳輸（MRT）方案，在SSE上取得了顯著的改進。此外，AP選擇和功率優化方法進一步提高了系統的SSE性能。

研究結論

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根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：

1. PPZF預編碼方案的優越性：研究表明，在面對活躍的竊聽攻擊時，採用保護性部分零強制（PPZF）預編碼方案的無單元大規模多輸入多輸出（CF-mMIMO）系統，相較於最大比傳輸（MRT）預編碼方案，能夠顯著提高保密頻譜效率（SSE）。
2. AP選擇方案的顯著增益：提出的基於大規模的AP選擇方案能夠顯著提高系統的SSE，對於PPZF和MRT預編碼方案，性能增益分別可達到220%和730%。這表明通過合理選擇服務用戶的接入點（AP），可以有效降低被竊聽者截獲的信號強度，從而增強通信的安全性。
3. 功率優化算法的有效性：通過提出的功率優化算法，可以在保證合法用戶服務質量（QoS）要求和竊聽者最大允許信噪比（SINR）限制的前提下，最大化合法用戶的接收SINR。該算法為CF-mMIMO系統在活躍竊聽攻擊下提供了有效的功率控制策略。
4. 竊聽攻擊檢測方法的提出：論文還提出了一種新的竊聽攻擊檢測方法，該方法基於接收到的導頻信號的平均功率，能夠在不需要用戶即時信道狀態信息（CSI）的情況下，有效地檢測系統中是否存在竊聽攻擊。
5. 系統參數對SSE的影響：通過模擬結果，論文進一步分析了不同系統參數，如天線數量、AP數量、竊聽者位置等對SSE性能的影響，為CF-mMIMO系統設計提供了重要的參考依據。

這些結論展示了在活躍竊聽攻擊下，通過合理的預編碼設計、AP選擇和功率控制，CF-mMIMO系統能夠有效提高通信的安全性和效率。

術語表

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這篇文章的術語表如下：

• 大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）：一種無線通信技術，通過在基站裝備大量天線來服務多個用戶，從而提高頻譜效率和能效。
• 用戶中心（User-Centric）：一種網絡設計方法，以用戶為中心進行資源分配和網絡優化，以提升用戶體驗。
• 小區間干擾協調（Inter-Cell Interference Coordination）：一種減少小區間干擾的技術，通過協調不同小區的發射功率和時間資源來提高網絡性能。
• 物理層安全（Physical Layer Security）：利用無線通信的物理特性來保護傳輸信息的安全，防止未授權的監聽和攻擊。
• 主動竊聽（Active Eavesdropping）：攻擊者通過發送干擾信號或偽造的信號來主動干預通信過程，以竊取信息。
• 信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）：信號的平均功率與噪聲的平均功率的比值，是衡量信號在有噪聲環境下傳輸質量的一個重要指標。
• 信道估計誤差（Channel Estimation Error）：在無線通信中，由於多種因素導致信道估計與實際信道條件存在偏差。
• 預編碼（Precoding）：一種信號處理技術，用於在發送端調整信號的相位和幅度，以優化信號在接收端的質量。
• 保護性部分零強制（Protective Partial Zero-Forcing, PPZF）：一種預編碼方案，旨在減少對特定用戶的干擾，同時保護其他用戶的信號質量。
• 保密速率（Secrecy Rate）：在考慮竊聽者存在的條件下，通信系統能夠安全傳輸信息的最大速率。