[论文解读] Covert Communication in Fading Channels under Channel Uncertainty

Khurram Shahzad, Xiangyun Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文研究在信道不确定性下的块衰落信道中的隐蔽通信，其中发送端通过利用合法的公共链路，将信息隐藏于隐蔽用户。推导了守卫方辐射计的精确最优检测阈值，并在中断和隐蔽性约束下量化了合法用户与隐蔽用户的可实现速率，结果表明信道不确定性可增强隐蔽性，但同时限制了双方的吞吐量。

ABSTRACT

A covert communication system under block fading channels is considered where users experience uncertainty about their channel knowledge. The transmitter seeks to hide the covert communication to a private user by exploiting a legitimate public communication link while the warden tries to detect this covert communication by using a radiometer. We derive the exact expression for the radiometers optimal threshold which determines the performance limit of the wardens detector. Furthermore for given transmission outage constraints the achievable rates for legitimate and covert users are analyzed while maintaining a specific level of covertness. Our numerical results illustrate how the achievable performance is affected by the channel uncertainty and required level of covertness.

研究动机与目标

• 在无线网络中实现隐蔽通信，使传输的存在性对守卫方保持隐藏。
• 分析守卫方在信道不确定性下的隐蔽通信可行性与性能影响。
• 在中断和隐蔽性约束下，量化合法用户（Carol）与隐蔽用户（Bob）的可实现速率。
• 在块衰落条件下，推导守卫方辐射计检测器的精确最优检测阈值。

提出的方法

• 建模一种场景：Alice 向合法用户（Carol）公开发送信号，同时利用 Carol 的传输作为掩护，秘密向 Bob 发送信息。
• 假设信道为块衰落，信道系数服从瑞利分布，并在 Willie 处使用辐射计基于接收信号功率检测隐蔽信号。
• 推导在零假设（H₀）和备择假设（H₁）下，Willie 辐射计检测器最优阈值的闭式表达式。
• 利用 Carol 和 Bob 的中断概率约束，确定在 H₁ 下的可行传输速率，考虑干扰和信道不确定性。
• 引入参数 β 以建模 Willie 处的信道不确定性，该参数影响检测性能并实现隐蔽性。
• 通过数值方法评估隐蔽性（ε）、信道不确定性（β）与 Carol 和 Bob 可实现速率区域之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 守卫方的信道不确定性如何影响基于辐射计检测器的最优检测阈值？
• RQ2 在块衰落条件下，守卫方最优检测阈值的精确闭式表达式是什么？
• RQ3 合法用户与隐蔽用户的中断约束如何影响在隐蔽性要求下的可实现速率区域？
• RQ4 信道不确定性（β）与隐蔽性阈值（ε）对隐蔽与合法传输速率之间权衡的影响是什么？

主要发现

• 推导出 Willie 辐射计检测器的最优检测阈值的闭式表达式，实现了对信道不确定性下检测性能的精确分析。
• 提高 Willie 处的信道不确定性（β）可增强隐蔽性，使 Alice 能够在不被检测的情况下向 Bob 分配更多功率。
• 在固定隐蔽性要求（ε）下，β 值增大可提升 Bob 的可实现速率，但因干扰和不确定性增加，导致 Carol 的速率下降。
• 放宽隐蔽性阈值 ε（例如从 0.1 提高到 0.3）可扩大 Bob 的可行速率区域，使其支持更高的传输速率。
• Carol 和 Bob 的可实现速率区域受中断概率和避免被 Willie 检测到的双重约束，存在隐蔽性与频谱效率之间的权衡。
• 数值结果证实，信道不确定性会降低 Willie 的检测性能，从而在严格的隐蔽性约束下仍可实现隐蔽通信。