[论文解读] Covert Communication in Wireless Relay Networks

Jinsong Hu, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文研究了单向中继网络中的隐蔽通信，其中中继节点在转发源端消息的同时，秘密地向目的端传输自身数据，而源端作为监察者检测此类未经授权的传输。研究推导出不可检测传输的必要条件，并表明提升中继发射功率可提高其隐蔽速率，揭示了在检测约束下，中继性能与隐蔽通信能力之间的权衡。

ABSTRACT

Covert communication aims to shield the very existence of wireless transmissions in order to guarantee a strong security in wireless networks. In this work, for the first time we examine the possibility and achievable performance of covert communication in one-way relay networks. Specifically, the relay opportunistically transmits its own information to the destination covertly on top of forwarding the source's message, while the source tries to detect this covert transmission to discover the illegitimate usage of the recourse (e.g., power, spectrum) allocated only for the purpose of forwarding source's information. The necessary condition that the relay can transmit covertly without being detected is identified and the source's detection limit is derived in terms of the false alarm and miss detection rates. Our analysis indicates that boosting the forwarding ability of the relay (e.g., increasing its maximum transmit power) also increases its capacity to perform the covert communication in terms of achieving a higher effective covert rate subject to some specific requirement on the source's detection performance.

研究动机与目标

• 分析在单向中继网络中，中继在转发源端消息的同时秘密传输自身数据的可行性。
• 识别中继隐蔽传输在源端（作为监察者）无法被检测到的必要条件。
• 以虚警率和漏检率表示源端的检测极限。
• 在源端检测性能受限的条件下，量化可实现的有效隐蔽速率。
• 揭示中继协助源端传输的能力与其执行隐蔽通信能力之间的权衡。

提出的方法

• 系统模型假设在独立同分布（i.i.d.）复高斯信道系数的瑞利衰落信道上采用半双工中继。
• 中继执行放大转发（AF）中继，并在第二阶段机会性地向目的端传输自身信息。
• 源端采用似然比检验进行检测，使用基于阈值的检测方案。
• 检测性能通过总误码率表征，结合虚警概率与漏检概率。
• 分析推导出隐蔽传输可行的条件（即检测并非必然），并计算有效隐蔽速率作为发射功率与信道条件的函数。
• 在检测误码率必须超过阈值（1−ε）的约束下，确定中继的最优发射功率，以确保存在非零的未检测到传输概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单向中继网络中，中继在何种条件下可不被源端检测到而秘密传输？
• RQ2 当中继尝试隐蔽通信时，源端在虚警率与漏检率方面的检测极限是什么？
• RQ3 中继最大发射功率如何影响其在仍能协助源端传输的同时执行隐蔽通信的能力？
• RQ4 在源端检测性能受限的条件下，可实现的最大有效隐蔽速率是多少？
• RQ5 源端与中继之间的信道增益如何影响隐蔽通信的可行性和速率？

主要发现

• 当中继发射功率低于某一阈值，使得检测误码率保持在非平凡值以上时，单向中继网络中的隐蔽通信是可行的，从而防止源端必然检测到。
• 最小总误码率 ξ∗ 随隐蔽发射功率 PΔ 的增加而单调递减，表明更高功率使隐蔽传输更容易被检测。
• 允许的最大隐蔽发射功率 PΔε 显著小于上界 PΔu，实际应用中需满足 ξ∗ ≥ 0.5 以避免被检测。
• 有效隐蔽速率 R̄c 随 |h_sr|² 增加而增大，因为更强的源端-中继链路提高了中继在不违反检测约束下秘密传输的概率。
• 中继协助源端传输的能力（通过提高功率）与执行隐蔽通信的能力之间存在权衡，因为更高功率会增加被检测的可能性。
• 在约束 ξ∗ ≥ 1−ε 下，可通过高效搜索确定最优 PΔ，尤其当 PΔε 远小于 PΔu 时，可行区域显著缩小。