[论文解读] Proactive Eavesdropping via Cognitive Jamming in Fading Channels

Jie Xu, Lingjie Duan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 30被引用 4

一句话总结

本文提出在衰落信道中通过认知干扰实现主动窃听，其中合法监听者利用全双工干扰技术降低可疑接收者的速率，从而提升自身窃听能力。在完美自干扰消除和全局信道状态信息条件下，监听者优化干扰功率分配，以最大化非中断概率（延迟敏感型）或相对窃听速率（延迟容忍型），显著优于基准方案。

ABSTRACT

To enhance the national security, there is a growing need for government agencies to legitimately monitor suspicious communication links for preventing intended crimes and terror attacks. In this paper, we propose a new wireless information surveillance paradigm by investigating a scenario where a legitimate monitor aims to intercept a suspicious wireless communication link over fading channels. The legitimate monitor can successfully eavesdrop (decode) the information of the suspicious link at each fading state only when its achievable data rate is no smaller than that at the suspicious receiver. In practice, such legitimate eavesdropping is particularly challenging, since the legitimate monitor may be far away from the suspicious transmitter and cannot eavesdrop efficiently. To overcome this issue, we propose a new approach, namely proactive eavesdropping via cognitive jamming, in which the legitimate monitor purposely jams the receiver so as to change the suspicious communication (e.g., to a smaller data rate) for overhearing more efficiently. In particular, we consider delay-sensitive and delay-tolerant applications for the suspicious data communications, under which the legitimate monitor maximizes the eavesdropping non-outage probability for event-based monitoring and the relative eavesdropping rate for content analysis, respectively, by optimizing its jamming power allocation over different fading states subject to an average power constraint. Numerical results show that the proposed proactive eavesdropping via cognitive jamming approach greatly outperforms the conventional passive eavesdropping without jamming and the proactive eavesdropping with constant-power jamming.

研究动机与目标

• 解决因缺乏核心网络访问而无法通过传统监控手段追踪无基础设施可疑无线通信的挑战。
• 提出从物理层安全到合法、主动窃听的范式转变，利用认知干扰技术。
• 在两种应用模型下最大化窃听性能：延迟敏感型（非中断概率）和延迟容忍型（相对窃听速率）。
• 在平均功率约束下，基于衰落状态优化干扰功率分配，利用全双工操作和完美自干扰消除。
• 将框架扩展至存在残留自干扰和局部信道状态信息的实际场景，支持在线部署。

提出的方法

• 合法监听者采用全双工认知干扰技术，降低可疑接收者可实现速率，从而在监听者自身速率超过接收者时实现通信解码。
• 系统假设具备完美自干扰消除（SIC）和全局信道状态信息（CSI），支持按衰落状态进行最优功率分配。
• 对于延迟敏感型应用，监听者通过在衰落状态上的随机优化问题求解，最大化非中断概率。
• 对于延迟容忍型应用，监听者通过平衡干扰成本与信息获取的功率分配策略，最大化相对窃听速率。
• 基于最优解设计了一种在线认知干扰方案，可适应实际部署中残留自干扰和局部CSI。
• 利用拉格朗日对偶和次梯度方法推导出最优功率分配，基于信道增益和功率约束，为每个衰落状态得出闭式解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在衰落信道中，合法监听者如何通过主动降低可疑接收者通信速率来提升窃听性能？
• RQ2 在平均功率约束下，最大化窃听非中断概率的认知干扰最优功率分配策略是什么？
• RQ3 延迟敏感型与延迟容忍型监控应用中，最优干扰策略有何差异？
• RQ4 与被动监控或非认知干扰相比，主动窃听可实现多大的性能增益？
• RQ5 在存在残留自干扰和有限CSI的实际系统中，如何将最优认知干扰策略适配至实用系统？

主要发现

• 所提出的通过认知干扰实现的主动窃听在非中断概率和相对窃听速率方面均显著优于基准方案。
• 最优干扰功率分配取决于监听者、发射者与接收者之间的相对信道增益，每个衰落状态下均推导出闭式表达式。
• 非中断概率最大化通过确保在衰落条件下监听者仍可解码，显著提升了事件驱动监控的可靠性。
• 相对窃听速率最大化在内容分析场景中带来显著增益，通过提升监听者有效数据速率实现。
• 基于最优策略的在线认知干扰方案在存在残留自干扰和局部CSI的实际环境中实现了近似最优性能。
• 推导出的最优功率分配策略具备鲁棒性和可扩展性，可通过次梯度方法和基于椭球的优化实现可行部署。