Intelligenter, durch reflektierende Oberflächen unterstützter Pilot-Kontaminationsangriff und seine Gegenmaßnahme
In Betracht gezogen wird ein Pilot-Pollution-Angriff (PCA) in drahtlosen Zeitduplex -Kommunikationssystemen, bei dem ein Eavesdropper (EVE) die Anti-Pilot-Übertragungsstufe angreift, um die vom Sender Alice an den Empfänger Bob gesendeten Daten abzuhören. Wir schlagen ein neues Eve-PCA- Schema vor, bei dem Eve selbst kein Signal aussendet, sondern eine intelligente reflektierende Oberfläche (IRS) verwendet, um den von Bob an Alice gesendeten Piloten zu reflektieren. Das in diesem Dokument vorgeschlagene neue PCA-Schema, genannt IRS-PCA-Schema, erhöht den Signalverlust von ALICE zu IRS während der Datenübertragungsphase, und IRS spiegelt dann den Verlust zu EVE wider, um die Abhörfähigkeit von EVE zu verbessern. Da das IRS-PCA-Schema Bobs Pilotsequenz nicht mehr kennen muss, muss EVE Bobs Pilotsequenz nicht mehr kennen, was das bestehende PCA-Schema ungültig macht und eine ernsthafte Bedrohung für die Sicherheit legaler drahtloser Kommunikationssysteme darstellt. Vor diesem Hintergrund betrachtet dieses Dokument 1) die IRS-PCA-Erkennung und 2) die sichere Übertragung unter IRS-PCA. Im Hinblick auf die IRS-PCA-Erkennung wird basierend auf dem schnellen Erkennungsrahmen eine generalisierte kumulative Summenerkennungsmethode (GCUSUM) vorgeschlagen, um IRS-PCA so schnell wie möglich zu erkennen, wenn es auftritt. Mit dem Ziel einer sicheren Übertragung unter IRS-PCA wird ein kooperatives Kanalschätzungsschema zur Schätzung des IRS-Kanals vorgeschlagen. Auf dieser Grundlage soll Zero-Forcing-Beamforming zur Reduzierung von Signallecks entwickelt werden.
Einführung
In einem drahtlosen Kommunikationssystem mit mehreren Antennen sind die Kanalzustandsinformationen (CSI) auf der Senderseite ein Schlüsselfaktor für die sichere Übertragung auf der physikalischen Ebene [1]. In TDD-Systemen (Time Division Duplex) wird CSIT normalerweise durch Reverse Pilot Transmission (RPT) basierend auf der Kanalreziprozität erhalten. Allerdings ist die Pilotsequenz in der Regel öffentlich, was zum sogenannten Pilot Pollution Attack (PCA) führt.
PCA wurde ursprünglich in [2] vorgeschlagen, wobei in der RPT-Phase ein aktiver Abhörer (EVE) an den legitimen Sender Alice dieselbe Pilotsequenz sendet wie an den legitimen Empfänger Bob. Das Vorhandensein von PCA führt zu einer ungenauen CSIT und zu einem erheblichen Anstieg der Signalleckage an EVE in der nachfolgenden Datenübertragungsphase (DT). Die Anfälligkeit von Mehrantennensystemen gegenüber PCA wurde in der Literatur ausführlich untersucht [3]-[7]. Konkret hat [3] gezeigt, dass die Sicherheitsfreiheitsgrade für einzellige Mobilfunknetze Null werden, wenn aktives EVE PCA durchführt. [4] zeigten, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beim Abhören erheblich verbessert werden kann, wenn mehrere Zuhörer kooperativ PCA durchführen. [5]–[7] untersuchten die Anwendung von PCA in Mehrzellen-Mehrbenutzernetzwerken und die Simulationsergebnisse von [7] zeigten, dass PCA den Netzwerkdurchsatz um mehr als 50 % reduzierte.
verwandte Werke
Um der ernsthaften Bedrohung von Mehrantennensystemen durch PCA entgegenzuwirken, wurden im Rahmen von PCA viele Methoden zur PCA-Erkennung und sicheren Übertragung (ST) vorgeschlagen [3], [5], [8]-[26]. Durch eine umfassende Durchsicht der vorhandenen Literatur können bestehende PCA-Strategien in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden: 1) auf Zufallsmodulation (RM) basierende Methoden [8]–[11], 2) auf künstlichem Rauschen oder Zufallsdaten (ANRD) basierende Methoden [12]-[18], 3) Methoden basierend auf zufälligen orthogonalen Piloten (ROP) [3], [19], [20] und 4) Methoden basierend auf statistischen Merkmalen (SF) [5], [ 21]-[ 26]. Die gemeinsame Idee hinter den ersten drei Kategorien von Methoden besteht darin, in der Standard-RPT-Phase zusätzliche Zufälligkeit einzuführen, deren Zweck darin besteht, es Eve unmöglich zu machen, im Voraus zu wissen, welche Sequenz Bob in der RPT-Phase senden wird. SFF-basierte Methoden beruhen auf der Tatsache, dass das SFS der Signalsequenz, die Alice (Bob) in der RPT-Phase (DT) empfängt, völlig unterschiedlich ist, wenn PCA auftritt und wenn PCA nicht existiert.
Stellen Sie die bekannte Pilotsequenz mit u∈Cτp×1 dar, und τp ist die Sequenzlänge. Im Folgenden beschreiben wir kurz vier Klassen von PCA-Strategien in der Literatur:
- RM-basierte Methoden (Zufallsmodulation) [8]–[11]: Bei RM-basierten Methoden wird U in mehrere Teilsequenzen unterteilt, z. B. U = [UT 1, UT 2, ...] T, wobei jede Teilsequenz multipliziert wird durch ein zufällig generiertes Symbol, das nur Bob kennt, und die Sequenz, die Bob tatsächlich in der RPT-Stufe sendet, ist UB(S)=[S1UT 1,S2UT 2,...]T, wobei S=[S1,S2,.. . ]T besteht aus zufälligen Symbolen. Damit Alice PCA erkennen kann, ist S normalerweise so konzipiert, dass es eine spezielle Struktur aufweist. In [8] werden beispielsweise S1, S2, ... zufällig aus einer vorgegebenen Konstellation phasenverschobener Schlüssel ausgewählt und die Tatsache ausgenutzt, dass S für EVE unbekannt ist, indem der Kreuzkorrelationskoeffizient zwischen untersucht wird Zur PCA-Erkennung werden zwei unterschiedliche Kanalschätzungen verwendet. Im Allgemeinen können RM-basierte Methoden Alice nicht in die Lage versetzen, CSI zu schätzen, wenn PCA auftritt, da Alice S nicht kennt. In [11] wird S heimlich zwischen Alice und Bob geteilt, daher schlägt [11] eine Methode vor, mit der Alice gleichzeitig Bobs und Eves CSIS schätzen kann, wenn PCA stattfindet.
- Künstliches Rauschen oder Zufallsdaten (ANRD): Bei der ANRD-Hilfsmethode sendet Bob zusätzlich zu U auch eine Zufallsfolge S ∈ CτS×1, die nur Bob kennt. Es gibt zwei Methoden zur Übertragung von S, die wir als Überlagerungsübertragung [12]–[14] bzw. Trennungsübertragung [15]–[18] bezeichnen. Bei der Überlagerungsübertragung werden u und s gleichzeitig mit τs=τp übertragen, sodass Bob tatsächlich ub(s)=u+√1-2s in der RPT-Phase sendet, wobei ∈(0,1) der Leistungszuteilungsfaktor ist. In einer separaten Übertragung wird S nach der Übertragung von U übertragen, sodass die von Bob tatsächlich gesendete Sequenz ub(s)=[ut,st]t∈C(τp+τs)×1 ist. Aufgrund des fehlenden Wissens über S wird die von EVE gesendete Signalsequenz mit hoher Wahrscheinlichkeit linear unabhängig von UB(s) sein. Vor diesem Hintergrund schlug [13] eine PCA-Erkennungsmethode vor, die auf dem Kriterium der minimalen Beschreibungslänge basiert. Wenn PCA auftritt, schlagen [14], [17] eine unabhängige Komponentenanalyse vor, um die Kanäle von Bob und Eve abzuschätzen.
- ROP-basierte Methode (Random Orthogonal Pilot): Bei der ROP-basierten Methode werden die von Bob gesendeten Piloten zufällig aus einer Menge zueinander orthogonaler Piloten ausgewählt. Eve weiß nicht, welchen Piloten Bob schicken wird, daher kann sie nicht immer denselben Piloten schicken, den Bob geschickt hat. Daher kann das Auftreten von PCA bestätigt werden, solange Alice mehr als einen Versuch akzeptiert [19]. In [3] schlagen die Autoren vor, den Piloten zu verschlüsseln, damit Alice die von Bob gesendete Pilotsequenz im Voraus kennt. Auf diese Weise kann Alice den CSIS von Bob und Eve abschätzen, wenn PCA auftritt. In [20] wird festgestellt, dass Alice und Bob den Piloten nicht wie in [3] verschlüsseln müssen, wenn die Kanäle von Bob und Eve räumlich korreliert sind. Wenn Alice die Kovarianzmatrix des Kanals kennt, kann sie mithilfe der Maximum-Likelihood-Erkennung den von Bob gesendeten Piloten „erraten“.
- Auf statistischen Merkmalen (SF) basierende Methode: Das Auftreten von PCA führt zu einem Anstieg der von Alice in der RPT-Phase empfangenen Energie, die durch Ea dargestellte Energie nimmt zu und die von Bob in der DT-Phase empfangene Energie nimmt ab und die dargestellte Energie durch Eb nimmt ab, was [21]–[24] energiebasierte Detektoren motiviert. Beispielsweise wird in [21] behauptet, dass PCA auftritt, wenn Ea(Eb) größer (klein) als ein vorab festgelegter Schwellenwert ist. In [25] wird neben der RPT-Stufe eine zusätzliche Vorwärtskanal-Trainingsstufe für Bob zur Schätzung des CSI verwendet. Wenn PCA nicht existiert, ist Bobs geschätzter CSI aufgrund der Kanalreziprozität fast derselbe wie Alices geschätzter CSI. In [26] wird angenommen, dass die Kanäle von Bob und Eve räumlich korreliert sind, wobei Rb und Re jeweils Kovarianzmatrizen sind. PCA kann dann durch die Durchführung eines (generalisierten) Likelihood-Ratio-Tests (LRT) erkannt werden. Der Artikel [5] nutzt RB und RE außerdem, um einen MMSE-Kanalschätzer (Minimum Mean Square Error) zu konstruieren und einen sicheren Strahlformungsvektor zu entwerfen.
Motivation dieser Arbeit
Obwohl Methoden gegen PCA seit mehreren Jahren umfassend untersucht werden, ist die Anfälligkeit von Mehrantennensystemen gegenüber PCA noch lange nicht gelöst.
In diesem Artikel wird ein neues PCA-Schema für Eve vorgeschlagen, das viele bestehende Gegenmaßnahmen in PCA außer Kraft setzt. Im vorgeschlagenen PCA-Schema bitten wir Eve, eine intelligente reflektierende Oberfläche (IRS) zur Durchführung von PCA zu entwickeln . Kurz gesagt ist ein IRS ein passives Gerät, das selbst keine elektromagnetischen Wellen aussendet. Stattdessen reflektiert es elektromagnetische Wellen aus der Umgebung und ist in der Lage, die Amplitude und Phase des Reflexionskoeffizienten zu steuern. Aufgrund seiner Flexibilität wird IRS weithin als Methode zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Sicherheit drahtloser Kommunikationssysteme durch sorgfältige Auswahl von Reflexionskoeffizienten angesehen, siehe z. B. [27]–[29]. Während viele Forscher den Einsatz von IRS zur Verbesserung der Leistung drahtloser Kommunikationssysteme vorgeschlagen haben, zeigt dieses Papier, dass Eve IRS auch zur Verschlechterung der Leistung drahtloser Kommunikationssysteme verwenden kann. Tatsächlich kann Eve mit Hilfe von IRS die RPT-Phase des TDD-Systems effektiv angreifen, ohne die Pilotsequenz zu kennen. Eve könnte einfach ein IRS einsetzen, das die Pilotsequenz widerspiegelt, die Bob an Alice gesendet hat, anstatt selbst eine Signalsequenz zu senden. Daher ist während der RPT-Phase die Signalsequenz vom IRS immer dieselbe wie die von Bob. Im Prinzip scheitern RM-basierte, ANRD-unterstützte und ROP-basierte Methoden gegen IRS-unterstützte PCA-Schemata (IRS-PCA), da diese Methoden erfordern, dass sich die von Eve gesendete Signalsequenz von der von Bob gesendeten unterscheidet.
Da sich IRS-PCA stark von herkömmlicher PCA (C-PCA) unterscheidet, d. h. EVE selbst Pilotsequenzen überträgt, ist es notwendig, sich auf IRS-PCA zu konzentrieren und entsprechende Gegenmaßnahmen zu untersuchen. Grundsätzlich sind zwei Probleme von großer Bedeutung, nämlich 1) IRS-PCA-Erkennung und 2) sichere Übertragung unter IRS-PCA.
IRS-PCA-Erkennung
: Unter den vier im vorherigen Unterabschnitt vorgestellten Methodenkategorien sind SF-basierte Methoden immer noch praktisch für die Erkennung. Das PCA-Erkennungsproblem und die entsprechende Erkennungsleistung wurden in der Literatur jedoch nicht vollständig behandelt. Insbesondere wird in bestehenden Studien das PCA-Erkennungsproblem als BHT-Problem (Binary Hypothese Testing) modelliert. In jedem kanalkohärenten Zeitblock, der aus der RPT-Phase und der DT-Phase besteht, beurteilen Alice oder Bob anhand ihres empfangenen Signals, ob PCA aufgetreten ist, indem sie BHT durchführen. Der Erkennungsprozess läuft unabhängig in verschiedenen Zeitblöcken ab und die Erkennungsleistung wird durch die Fehlalarm- und Fehlerkennungswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Zeitblocks charakterisiert. Wenn EVE jedoch in der Praxis PCA über mehrere Zeitblöcke hinweg initiiert, kann die Erkennungsleistung durch die Kombination von in verschiedenen Zeitblöcken empfangenen Signalen erheblich verbessert werden, was bedeutet, dass es möglicherweise nicht optimal ist, die Erkennung unabhängig durchzuführen.
Wenn EVE zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnt, das legitime System anzugreifen, ist es in der Praxis für das legitime System selbstverständlich, die Existenz des Angriffs schnell zu erkennen, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Tatsächlich ist das optimale sichere Transportschema völlig anders, wenn PCA nicht vorhanden ist und wenn PCA auftritt. Wenn keine Hauptkomponentenanalyse erfolgt, maximiert das MRT-Beamforming-Schema (Maximum Ratio Transmission) Bobs Signal-Rausch-Verhältnis. Wenn jedoch PCA auftritt, kann das MRT-Beamforming-Schema aufgrund einer ungenauen Kanalschätzung zu schwerwiegenden Signalverlusten an EVE führen. Um die Datenübertragung unter PCA zu gewährleisten, müssen detaillierte Kanalschätzungs- und Strahlformungsschemata eingesetzt werden. Eine grundlegende Frage hierbei ist, wie viele Zeitblöcke das legitime System benötigt, um das Auftreten von PCA zu erkennen, also die Erkennungsverzögerung, damit das legitime System sein Übertragungsschema rechtzeitig ändern kann, unter bestimmten Einschränkungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Erkennungsergebnisse. Da PCA außerdem die Abhörfähigkeiten von EVE verbessert, ist es auch wichtig zu wissen, wie viele Informationsbits EVE mit PCA abfangen kann, bevor sie von legitimen Systemen erfolgreich erkannt werden. Diese Größen sind wichtig für die Charakterisierung der Effizienz von PCA-Nachweismethoden, wurden jedoch in der Literatur nicht untersucht.
Basierend auf den obigen Beobachtungen schlägt dieser Artikel eine PCA-Erkennungsmethode vor, die auf der Theorie der schnellsten Erkennung basiert [32], [33]. Unsere Erkennungsmethode arbeitet sequentiell und zielt darauf ab, das Auftreten von IRS-PCA so schnell wie möglich zu erkennen, sobald es beginnt. In jedem Zeitblock wird die in der RPT-Stufe empfangene Signalsequenz, die Alice mit allen im vergangenen Zeitblock empfangenen Signalsequenzen kombiniert, um eine Entscheidung zu treffen. Wir analysieren die Erkennungslatenz dieser Erkennungsmethode und bewerten die Menge an zusätzlichen Informationen, die EVE aufgrund seiner IRS-PCA vom Start der IRS-PCA bis zur erfolgreichen Erkennung abfangen kann.
Kanalschätzung und sichere Übertragung unter IRS-PCA
Unter PCA ist es für eine sichere Übertragung wichtig, die Kanäle von Bob und Eve schätzen zu können. Prinzipiell funktionieren RM-basierte, ANRD-gestützte und ROP-basierte Ansätze nicht unter der Bedingung, dass Eve IRSPCA durchführt. Für SF-basierte Methoden sind einige Vorkenntnisse über die Bob- und Eve-Kanal-Wahrscheinlichkeitsverteilungen erforderlich, um die momentanen Kanalkoeffizienten abzuschätzen. Beispielsweise sind in [5], [20] zum Aufbau eines linearen MMSE-Kanalschätzers die Kanalkovarianzmatrizen von Bob und Eve erforderlich. In der Praxis ist es jedoch insbesondere für Eve nicht einfach, solche Kanalstatistiken zu erhalten, da Eve nicht mit legitimen Systemen kooperieren soll.
Basierend auf den obigen Beobachtungen schlägt dieses Papier ein neues Kanalschätzungsschema zur Schätzung des Kanals zwischen Alice und IRS vor, in dem Eve IRS-PCA durchführt. Im vorgeschlagenen Kanalschätzungsschema nehmen neben Bob auch mehrere kooperative Knoten am RPT-Prozess teil, und jeder kooperative Knoten sendet eine zueinander orthogonale Pilotsequenz. Die Grundidee besteht darin, die vom Zentralnervensystem an das IRS übertragene Pilotsequenz durch die Analyse der gemeinsamen Komponenten in den geschätzten Kanälen mehrerer Zentralnervensysteme widerzuspiegeln und so die Kanäle zwischen mehreren Zentralnervensystemen und dem IRS abzuschätzen. Anders als die Methoden in [5] und [20] erfordert dieses Schema nicht, dass Alice die Kovarianzmatrix des IRS-Kanals kennt. Mithilfe dieses Kanalschätzungsschemas kann Zero-Forcing-Beamforming so konzipiert werden, dass Signallecks vermieden werden und so die Sicherheitsleistung von Rechtssystemen erheblich verbessert wird.
Abschnitt II stellt das Systemmodell und die vorgeschlagene IRS-PCA-Methode vor; Abschnitt III erörtert das vorgeschlagene IRS-PCA-Erkennungsschema; Abschnitt IV stellt die kooperative Kanalschätzung und das sichere Übertragungsschema vor; Abschnitt V präsentiert die numerischen Ergebnisse; schließlich schließt Abschnitt VI ab voller Text.