[论文解读] Achievable Physical-Layer Secrecy in Multi-Mode Fiber Channels using Artificial Noise

Eduard A. Jorswieck, Andrew Lonnstrom+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于人工噪声（AN）的物理层安全方案，用于存在窃听者信道状态信息不完善的多模光纤（MMF）信道。通过在实测MMF信道上使用贪心算法优化模式选择与功率分配，该方案实现了正的平均保密速率——在55模光纤系统中，于15 dB信噪比下相较传统水填ting方案实现了2倍增益。

ABSTRACT

Reliable and secure communication is an important aspect of modern fiber optic communication. In this work we consider a multi-mode fiber (MMF) channel wiretapped by an eavesdropper. We assume the transmitter knows the legitimate channel, but statistical knowledge of the eavesdropper's channel only. We propose a transmission scheme with artificial noise (AN) for such a channel. In particular, we formulate the corresponding optimization problem which aims to maximize the average secrecy rate and develop an algorithm to solve it. We apply this algorithm to actual measured MMF channels. As real fiber measurements show, for a 55 mode MMF we can achieve positive average secrecy rates with the proper use of AN. Furthermore, the gain compared to standard precoding and power allocation schemes is illustrated.

研究动机与目标

• 解决发射端对窃听者信道知识不完全的多模光纤（MMF）信道中的物理层安全问题。
• 在功率约束和窃听者信道统计知识下，最大化平均保密速率。
• 提出一种实用的传输方案，利用人工噪声（AN）技术，通过合法用户与窃听者信道之间模式相关损耗（MDL）的差异实现安全通信。
• 通过实测MMF信道矩阵验证该方案，证明其在实际场景中的可行性。

提出的方法

• 建立优化问题，以在总功率约束下最大化平均遍历保密速率。
• 对实测的合法信道矩阵H进行奇异值分解（SVD），以实现模式特定的预编码。
• 采用贪心算法，将主信号功率分配给强模式，将人工噪声（AN）功率分配给弱模式，依据信道特征值进行决策。
• 将窃听者信道G建模为与H具有相同总能量的迹保持变体，并引入模式相关损耗（MDL）矩阵L，确保接收总功率相等。
• 通过20,000次信道实现的蒙特卡洛仿真，估计平均保密速率并评估性能。
• 将所提方案与水填ting预编码、保密速率的悲观下界与上界，以及最坏情况性能进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实多模光纤信道中，当窃听者信道状态信息不完全时，人工噪声能否有效实现正的保密速率？
• RQ2 所提出的基于AN的预编码方案相较于传统水填ting方案，在保密速率增益方面表现如何？
• RQ3 在使用AN时，模式相关损耗（MDL）对可实现保密速率有何影响？
• RQ4 该方案在信道不确定性下的鲁棒性如何？最坏情况下的保密速率性能如何？
• RQ5 当合法信道优势仅限于少数几个模式时，该算法是否仍能实现正的保密速率？

主要发现

• 所提出的基于AN的方案在真实55模MMF信道中实现了正的平均保密速率，即使仅部分模式提供传输优势。
• 在15 dB信噪比下，贪心AN算法实现的平均保密速率是传统水填ting预编码的2倍。
• 该方案优于保密速率的悲观下界，表明在最坏情况窃听信道实现下仍具有强鲁棒性。
• 在20,000次信道实现中，贪心AN算法的最坏情况保密速率始终保持为正，证实了其实际可行性。
• 保密速率增益随信噪比提升而增加，表明在更高信号电平下具有良好的可扩展性与有效性。
• 该算法性能稳定且收敛，通过迭代优化AN功率与模式选择，实现了更高的保密速率。