Secure Massive MIMO Transmission With an Active Eavesdropper

人为噪声 电信线路 计算机科学 预编码 安全传输 发射机 发射机功率输出 传输(电信) 多输入多输出 计算机网络 频道(广播) 电信
作者
Yongpeng Wu,Robert Schober,Derrick Wing Kwan Ng,Chengshan Xiao,Giuseppe Caire
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Theory [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62 (7): 3880-3900 被引量:324
标识
DOI:10.1109/tit.2016.2569118
摘要

In this paper, we investigate secure and reliable transmission strategies for multi-cell multi-user massive multiple-input multiple-output systems with a multi-antenna 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 toward the eavesdropper, thus increasing its received signal power. Assuming matched filter precoding and artificial noise (AN) generation at the transmitter, we derive an asymptotic achievable secrecy rate when the number of transmit antennas approaches infinity. For the case of a single-antenna active eavesdropper, we obtain a closed-form expression for the optimal power allocation policy for the transmit signal and the AN, and find the minimum transmit power required to ensure reliable secure communication. Furthermore, we show that the transmit antenna correlation diversity of the intended users and the eavesdropper can be exploited in order to improve the secrecy rate. In fact, under certain orthogonality conditions of the channel covariance matrices, the secrecy rate loss introduced by the eavesdropper can be completely mitigated.
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