افزایش امنیت در ارتباطات شبکه‌های مخابرات سلولی با بکارگیری تکنیک همراستاسازی تداخل

گلستانی, علی; محامدپور, کمال; حبیبی بسطامی, علی

افزایش امنیت در ارتباطات شبکه‌های مخابرات سلولی با بکارگیری تکنیک همراستاسازی تداخل

نویسندگان

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی خواجه‌ نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

² استاد، دانشگاه صنعتی خواجه‌ نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

³ استادیار، دانشگاه صنعتی خواجه‌ نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

یکی از چالش‌های معمول در شبکه‌های مخابرات بی‌سیم، شنود شدن سیگنال‌های پخش‌شده از ایستگاه‌های رادیویی توسط استراق‌سمع‌کننده‌ها می‌باشد. در این مقاله نشان داده می‌شود که در یک شبکه مخابرات سلولی با وجود تخصیص فرکانس یکسان به تک تک کاربران، تکنیک همراستاسازی تداخل (IA)، ضمن اینکه می‌تواند تداخل‌های درون و بین سلولی را به طور کامل حذف کند؛ همچنین قادر است حداکثر درجات آزادی (DoF) امن را برای شبکه فراهم کند و ارتباطات را در برابر شنود مقاوم سازد. تکنیک IA می‌تواند نرخ محرمانگی شبکه را در SNRهای بالا به ناحیه نرخ کانال پخش تداخلی (IFBC) نزدیک نماید. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که به ازای محدوده‌ای معین برای تعداد آنتن‌های دریافتِ هر شنودگر، نرخ محرمانگی شبکه در SNRهای بالا به خوبی به ظرفیت مجموع شبکه نزدیک می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.23224347.1394.3.2.4.1

عنوان مقاله [English]

Enhancing Communication Security in Cellular Communications Networks by using Interference Alignment Technique

نویسندگان [English]

Ali Golestani ¹
Kamal Mahamedpour ²
Ali Habibi Bastami ³

¹ Master's student, Khajeh Nasiruddin Toosi University of Technology, Tehran, Iran

² Professor, Khajeh Nasiruddin Toosi University of Technology, Tehran, Iran

³ Assistant Professor, Khajeh Nasiruddin Toosi University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

One of the common challenges in wireless communications networks is wiretapping broadcast
signals from radio stations by eavesdroppers. In this paper is shown that interference alignment (IA)
technique can be completely eliminated intra and inter-cell interferences, in a cellular
communications network with the same frequency allocation to all of the users. Also, this technique is
able to provide maximum degrees of freedom (DoF) and securing the communication against
eavesdropping. IA approximately can close the rate of network secrecy to rate region of the interfering
broadcast channel (IFBC) in high SNR regime. In order to prove the mathematical and intuitive
capability of the interference alignment technique in increasing communication security, a kind of IA
algorithm closed-form is used in the downlink of an unsecured cellular network. Simulation results are
demonstrated for a certain range from the number of eavesdropper’s receive antennas, that secrecy
rate well possible come close to the network sum-capacity in high SNRs.

کلیدواژه‌ها [English]

Cellular communications network
security
interference alignment
secure degrees of freedom
secrecy rate
MIMO interference channel

مراجع

[1] O. E. Ayach, S. W. Peters, and R. W. Heath, “The Practical Challenges of Interference Alignment,” IEEE Wireless Commun. Mag., vol. 20, no. 1, pp. 35-42, Feb. 2013.

[2] L. Qian, R. Q. Hu, Q. Yi, and W. Geng, “Cooperative Wireless Communications for Wireless Networks: Techniques and Applications in LTE-Advanced Systems,” IEEE Wireless Commun., vol. 19, no. 2, pp. 22–29, April 2012.

[3] S. Sasaki, et al., “Secure communications using Interference Alignment in MIMO interference channels,” in Proc. Int. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP), pp. 762-765, 29 Oct.-2 Nov. 2012.

[4] O. O. Koyluoglu, H. El Gamal, L. Lai, and H. V. Poor, “Interference Alignment for Secrecy,” IEEE Trans. on Inf. Theory, vol. 57, no. 6, pp. 3323-3332, June 2011.

[5] J. H. Lee, S. H. Chae, and W. Choi, “Opportunistic jammer selection for secure degrees of freedom,” in Proc. IEEE Global Commun. Conf. (GLOBECOM), pp. 4862-4867, 3-7 Dec. 2012.

[6] T. Gou and S. A. Jafar, “On the secure degrees of freedom of wireless X networks,” in Proc. 46th Annual Allerton Conf. on Commun., Control and Computing, pp. 826-833, 23-26 Sep. 2008.

[7] J. Tang and S. Lambotharan, “Interference Alignment Techniques for MIMO Multi-Cell Interfering Broadcast Channels,” IEEE Trans. on Commun., vol. 61, no. 1, pp. 164-175, Jan. 2013.

[8] B. Zhuang, R. A. Berry, and M. L. Honig, “Interference Alignment in MIMO Cellular Networks,” in Proc. IEEE ICASSP, May 2011.

[9] T. Liu and C. Yang, “On the Feasibility of Linear Interference Alignment for MIMO Interference Broadcast Channels with Constant Coefficients,” IEEE Trans. on Signal Process., vol. 61, no. 9, pp. 2178-2191, May 2013.

[10] W. Shin, N. Lee, J. Lim, C. Shin, and K. Jang, “On the Design of Interference Alignment Scheme for Two-Cell MIMO Interfering Broadcast Channels,” IEEE Trans. on Wireless Commun. pp. 437-442, Feb. 2011.

[11] D. S. Papailiopoulos and A. G. Dimakis, “Interference Alignment as a Rank Constrained Rank Minimization,” IEEE Trans on Signal Process., vol. 60, no. 8, pp. 4278-4288, August 2012.

[12] S. A. Jafar and M. J. Fakhereddin, “Degrees of Freedom for the MIMO Interference Channel,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 35, no. 7, pp. 2637-2642, July 2007.

[13] J. Schreck and G. Wunder, “Distributed Interference Alignment in Cellular Systems: Analysis and Algorithms,” in Proc. Sustainable Wireless Technol. (European Wireless) Conf., pp. 1-8, 27-29 April 2011.