[论文解读] Closed-Form Expressions for Relay Selection with Secrecy Constraints

Xiaojun Sun, Chunming Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2010

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文推导了在使用物理层安全性的双跳协作网络中，基于中继选择的平均保密速率和中断概率的闭式表达式。提出了一种基于瞬时信道状态信息的选中方案，选择具有最高瞬时保密速率的中继进行解码转发（DF）或放大转发（AF）中继，实现了精确的理论性能指标，并通过仿真验证。

ABSTRACT

An opportunistic relay selection based on instantaneous knowledge of channels is considered to increase security against eavesdroppers. The closed-form expressions are derived for the average secrecy rates and the outage probability when the cooperative networks use Decode-and-Forward (DF) or Amplify-and-Forward (AF) strategy. These techniques are demonstrated analytically and with simulation results.

研究动机与目标

• 开发一种中继选择策略，以在存在窃听威胁的协作无线网络中最大化保密容量。
• 推导在DF和AF中继协议下平均保密速率和中断概率的精确与近似闭式表达式。
• 评估在源端具有瞬时信道状态信息（CSI）时，基于中继选择的物理层安全性能。
• 比较基于选择的方案（S-DF、S-AF）与最优功率分配（OPA-DF）在保密速率和中断性能方面的表现。

提出的方法

• 中继选择基于选择具有最大瞬时保密速率的中继，该速率计算为主信道与窃听信道信噪比（SNR）之比的对数。
• 对于DF中继，瞬时保密速率通过R→D与R→E链路SNR之比推导得出，给出了平均保密速率和中断概率的精确闭式表达式。
• 对于AF中继，通过S→R与R→D/RE链路SNR的乘积进行近似，其闭式表达式涉及修正贝塞尔函数和洛姆尔函数。
• 利用N个中继中最大等效SNR的累积分布函数（CDF），通过积分计算平均保密速率和中断概率。
• 在独立同分布（i.i.d.）瑞利衰落信道下，通过蒙特卡洛仿真验证了理论结果，覆盖不同SNR条件。
• 最优功率分配（OPA-DF）被建模为一个凸优化问题，旨在满足功率约束下最大化保密速率比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有保密约束的基于DF的中继选择中，平均保密速率的精确闭式表达式是什么？
• RQ2 在基于AF的协作网络中，中继选择在保密约束下的中断概率如何进行解析表达？
• RQ3 基于选择的DF和AF协议在保密速率和中断性能方面与最优功率分配相比如何？
• RQ4 在何种SNR条件下，AF中继的近似闭式表达式能与仿真结果高度吻合？

主要发现

• 在所有SNR范围内，基于DF的中继选择中，平均保密速率和中断概率的精确闭式表达式与仿真结果几乎完全一致。
• 对于基于AF的中继选择，当S→R链路SNR比R→D/E链路SNR高出约16 dB时，推导出的平均保密速率闭式近似与仿真结果完全匹配。
• 在相同中继数量下，基于选择的DF（S-DF）在平均保密速率和中断性能方面均优于基于选择的AF（S-AF）。
• 最优功率分配（OPA-DF）实现了最高的保密速率，优于S-DF和S-AF，但代价是更高的实现复杂度。
• 当AF中继数量足够大时，S-AF可优于S-DF，表明中继选择策略与中继数量之间存在权衡。