[论文解读] On Secrecy Capacity Scaling in Wireless Networks

O. Ozan Koyluoglu, C. Emre Koksal+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 19被引用 8

一句话总结

该论文表明，在具有随机部署的合法节点和窃听者节点的大规模无线网络中，当窃听者密度的增长速度慢于 (log n)^(-2) 时，在路径损耗模型下，每个节点的可靠通信速率可达 Ω(1/√n)。在遍历衰落模型下，通过保密预编码的干扰对齐可实现每个用户的恒定正向安全速率，即使没有窃听者信道状态信息（CSI），且用户数量越多，性能越好。

ABSTRACT

This work studies the achievable secure rate per source-destination pair in wireless networks. First, a path loss model is considered, where the legitimate and eavesdropper nodes are assumed to be placed according to Poisson point processes with intensities $λ$ and $λ_e$, respectively. It is shown that, as long as $λ_e/λ=o((\log n)^{-2})$, almost all of the nodes achieve a perfectly secure rate of $Ω(\frac{1}{\sqrt{n}})$ for the extended and dense network models. Therefore, under these assumptions, securing the network does not entail a loss in the per-node throughput. The achievability argument is based on a novel multi-hop forwarding scheme where randomization is added in every hop to ensure maximal ambiguity at the eavesdropper(s). Secondly, an ergodic fading model with $n$ source-destination pairs and $n_e$ eavesdroppers is considered. Employing the ergodic interference alignment scheme with an appropriate secrecy pre-coding, each user is shown to achieve a constant positive secret rate for sufficiently large $n$. Remarkably, the scheme does not require eavesdropper CSI (only the statistical knowledge is assumed) and the secure throughput per node increases as we add more legitimate users to the network in this setting. Finally, the effect of eavesdropper collusion on the performance of the proposed schemes is characterized.

研究动机与目标

• 确定在现实合法节点和窃听者部署条件下，大规模无线网络中保密容量的根本尺度律。
• 分析在密集或扩展网络模型中，是否可以在不牺牲每个节点吞吐量的前提下实现安全通信。
• 评估窃听者合谋对多跳和干扰对齐方案中安全通信性能的影响。
• 提出一种无需预共享密钥或窃听者CSI的保密容量达到型传输策略。
• 刻画网络密度、窃听者密度与每个源-目的对可实现安全速率之间的权衡关系。

提出的方法

• 提出一种多跳转发方案，每跳采用随机化传输以在窃听者处最大化模糊性，确保每跳的安全性。
• 基于渗透理论构建高速公路型网络架构，实现受控干扰和长距离通信。
• 在每个节点和高速公路段周围引入保密区域模型，通过功率控制和随机化阻止区域内的窃听者解码。
• 在高速公路上采用时分多址（TDMA）策略，支持多个源-目的对的同时安全传输。
• 在衰落信道中引入一种遍历干扰对齐方案，结合保密预编码，即使仅掌握窃听者信道的统计信息，也能实现恒定正向安全速率。
• 通过证明在合谋窃听者下，每跳的安全保证可扩展至多跳路径，分析窃听者合谋的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模无线网络中，是否可以在不使用预共享密钥的情况下，实现每个节点 Ω(1/√n) 的安全通信速率？
• RQ2 在扩展和密集网络模型中，允许非退化安全吞吐量尺度的窃听者最大密度是多少？
• RQ3 在衰落网络中，是否可以利用干扰对齐实现恒定正向安全速率，而无需瞬时窃听者信道状态信息？
• RQ4 窃听者合谋如何影响多跳和干扰对齐方案的保密性能？
• RQ5 在干扰受限的无线网络中，增加合法用户是否能提升安全吞吐量？

主要发现

• 在路径损耗模型下，若窃听者强度满足 λₑ/λ = o((log n)^(-2))，则几乎所有源-目的对均可实现 Ω(1/√n) 的安全速率，与非安全网络的容量尺度一致。
• 所提出的每跳随机化多跳方案无需窃听者CSI即可实现该安全速率，且在窃听者合谋下仍能保持安全。
• 在遍历衰落模型下，所提出的结合保密预编码的干扰对齐方案可使每个用户实现恒定正向安全速率，即使仅掌握窃听者信道的统计信息，且当 n 足够大时成立。
• 在遍历衰落模型中，合法用户数量越多，单位节点的安全吞吐量越高，表明网络密集聚焦带来有益的尺度增益。
• 保密区域构造确保第一级区域内的窃听者无法解码信息，且当 n → ∞ 时，速率表达式收敛至一个正常数。
• 分析表明，保密层级数 L 随 n 对数增长，且窃听者处的信干噪比渐近趋于零，从而确保强保密性。