[论文解读] Cooperative Jamming for Wireless Physical Layer Security

Lun Dong, Zhu Han+2 more|ArXiv.org|Jul 28, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 8被引用 40

一句话总结

本文提出一种利用多天线中继的协作干扰方案，以增强无线网络中的物理层安全性。通过设计波束成形权重，使干扰信号在合法接收机处完全衰减，同时最大化对窃听者的干扰，该方案在已知全局信道状态信息（CSI）的条件下，无论是在保密速率最大化还是功率最小化约束下，均显著提升了保密速率，尤其当窃听者靠近中继时效果更明显。

ABSTRACT

Cooperative jamming is an approach that has been recently proposed for improving physical layer based security for wireless networks in the presence of an eavesdropper. While the source transmits its message to its destination, a relay node transmits a jamming signal to create interference at the eavesdropper. In this paper, a scenario in which the relay is equipped with multiple antennas is considered. A novel system design is proposed for determining the antenna weights and transmit power of source and relay, so that the system secrecy rate is maximized subject to a total transmit power constraint, or, the transmit power is minimized subject to a secrecy rate constraint. Since the optimal solutions to these problems are difficult to obtain, suboptimal closed-form solutions are proposed that introduce an additional constraint, i.e., the complete nulling of jamming signal at the destination.

研究动机与目标

• 解决传统物理层安全在信道条件较差时的局限性，即当窃听者信道优于合法用户信道时的情况。
• 通过利用多天线中继实现协作干扰，克服单天线系统中的保密速率中断问题。
• 设计一种联合优化源端与中继端发射功率及中继波束成形权重的系统，以在总功率约束下最大化保密速率。
• 在确保达到目标保密速率的前提下，最小化总发射功率，利用波束成形技术在目的端完全抑制干扰信号。
• 在实际中完全抑制目的端干扰信号的约束下，提供次优且具有闭式解的方案，以兼顾可分析性与性能。

提出的方法

• 构建一个多天线中继系统，其中源端发送信息信号，中继端使用波束成形发送干扰信号。
• 在目的端施加对干扰信号的完全零陷约束，以避免干扰，从而实现闭式波束成形设计。
• 在已知全局信道状态信息（CSI）的条件下，利用凸优化技术优化波束成形权重与功率分配。
• 推导出在总功率约束下最大化保密速率的闭式解，以及在保密速率约束下最小化发射功率的闭式解。
• 采用二次规划求解在保密速率约束下的最优源端功率分配，推导出涉及信道增益与噪声功率的表达式。
• 采用自由空间路径损耗模型，路径损耗指数为3.5，并采用均匀相位衰落模型，用于仿真验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 当窃听者信道优于合法用户信道时，多天线中继如何提升无线网络中的保密速率？
• RQ2 在总发射功率约束下，何种波束成形与功率分配策略可最大化保密速率？
• RQ3 系统如何在维持目标保密速率的前提下最小化总发射功率？
• RQ4 与直接传输相比，采用多天线中继的协作干扰能带来多大的性能增益？
• RQ5 窃听者相对于中继的相对位置如何影响保密速率与功率效率？

主要发现

• 采用多天线中继的协作干扰可显著提升保密速率，尤其当窃听者靠近中继时效果更明显。
• 当窃听者比目的地更靠近源端时，直接传输的保密速率降为零，但协作干扰可在此类场景下恢复正的保密速率。
• 当窃听者靠近中继时，即使干扰功率较小，也能产生足够强的干扰，从而允许将更多功率分配给信息信号，进而提升保密速率。
• 随着窃听者远离源端与中继端，保密速率先下降后上升，最终因对干扰功率的需求减少而趋同于直接传输的速率。
• 增加中继天线数量可持续提升保密速率，因为波束成形增益与干扰零陷能力随之增强。
• 所提出的次优波束成形设计在目的端完全抑制干扰信号，实现了接近最优的性能，具有闭式解且计算复杂度低。