[论文解读] Fundamental Properties of Full-Duplex Radio for Secure Wireless Communications

Yingbo Hua, Qiping Zhu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文研究了在窃听者信道状态信息不完全的情况下，全双工无线电在安全无线通信中的基本保密容量。提出了一种模型：爱丽丝和鲍勃使用全双工无线电同时传输密钥并以自适应功率对未知窃听者（伊夫）进行干扰，以抑制自干扰。关键结果表明，在有利条件下，保密容量在近场区域渐近恒定，即使在未知伊夫位置且无其信道状态信息先验知识的情况下，也能实现可靠的保密通信。

ABSTRACT

This paper presents a number of fundamental properties of full-duplex radio for secure wireless communication under some simple and practical conditions. In particular, we consider the fields of secrecy capacity of a wireless channel between two single-antenna radios (Alice and Bob) against an unknown number of single-antenna eavesdroppers (Eves) from unknown locations, where Alice and Bob have zero knowledge (except a model) of the large-scale-fading channel-state-information of Eves. These properties show how the secrecy capacity is distributed in terms of the location of any Eve, how the optimal jamming power applied by the full-duplex radio varies with various parameters, and how bad or good the worst cases are. In particular, these properties show how the quality of self-interference cancelation/suppression affects various aspects of the fields of secrecy capacity. The cases of colluding Eves and non-colluding Eves are treated separately and yet coherently. For non-colluding Eves, asymptotically constant fields of secrecy capacity are revealed. For each of the two cases, we also treat subcases with or without small-scale fading.

研究动机与目标

• 分析当合法用户对窃听者位置和大尺度信道状态信息（L-CSI）完全无知时，全双工无线电在安全无线通信中的基本保密容量。
• 研究残留自干扰和干扰功率对保密容量空间分布的影响。
• 建模瑞利衰落和窃听者之间的合谋对实现正保密容量概率的影响。
• 推导保密容量对窃听者位置不变的条件，从而实现稳健的保密密钥交换。

提出的方法

• 使用路径损耗指数 α 建模爱丽丝、鲍勃与任意伊夫之间的大尺度路径损耗，包含距离相关的路径损耗和归一化的自干扰信道增益 ρ。
• 采用瑞利衰落模型表示散射丰富的环境，各链路的衰落系数独立同分布。
• 将保密容量 S_{x,y} 表示为伊夫位置 (x,y) 的函数，结合干扰功率 P_J 和发射功率 P_T。
• 应用随机几何和概率论分析事件 S_{x,y} = 0 的累积分布函数（CDF），量化零保密容量的可能性。
• 考虑两种情形：非合谋伊夫（独立窃听）和合谋伊夫（协同窃听），并采用不同的数学处理方式。
• 推导保密容量和中断概率的解析边界，尤其在高发射功率和低残留自干扰（小 ρ）条件下。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对窃听者 L-CSI 完全无知的条件下，全双工无线链路的保密容量如何随未知窃听者位置变化？
• RQ2 残留自干扰抑制（以 ρ 表征）对保密容量分布和可靠性有何影响？
• RQ3 在何种条件下，保密容量在近场区域近似恒定，与窃听者位置无关？
• RQ4 小尺度衰落如何影响实现正保密容量的概率？该概率能否以高概率被界定？
• RQ5 在不确定性条件下，何种干扰功率分配策略可最大化实现正保密容量的概率？

主要发现

• 当干扰功率设置为 P_J = √(P_T / ρ) 时，近场保密容量对窃听者位置近似不变，高功率和小 ρ 条件下达到恒定值 log₂(Ã / (ρ√(B̃₁B̃₂)))。
• 保密容量 S_{x,y} 小于或等于阈值 s 的概率满足 Prob{S_{x,y} ≤ s} < (2^s × ρ × π) / 4，通过减小 ρ 可使其任意小。
• 在高发射功率和低残留自干扰（ρ ≪ 1）条件下，即使存在随机的小尺度衰落实现，近场区域的保密容量仍保持近似恒定。
• 在特定条件下，事件 S_{x,y} = 0 的 CDF 小于 10⁻⁴，表明完全保密中断的概率极低。
• 对于非合谋伊夫，保密容量场在近场区域渐近趋近于恒定值，表明对窃听者位置不确定性具有鲁棒性。
• 结果表明，只要自干扰得到有效抑制且干扰功率被最优调谐，全双工无线电即使在无窃听者先验知识条件下，也能实现可靠的物理层安全通信。