[论文解读] Covert Communications with Constrained Age of Information

Yida Wang, Shihao Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Age of Information Optimization参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的隐蔽通信框架，通过约束信息年龄（AoI）的平均值，联合优化隐蔽性与信息新鲜度。通过将信息信号的发送概率建模为设计变量，作者表明最优隐蔽性并不要求先验概率相等（即发送概率 ≠ 0.5），且在AoI约束下，实现非零隐蔽性需要最小发送功率。

ABSTRACT

In this letter, we consider the requirement of information freshness in covert communications for the first time. With artificial noise (AN) generated from a full-duplex (FD) receiver, we formulate a covertness maximization problem under the average age of information (AoI) constraint to optimize the transmit probability of information signal. In particular, the transmit probability not only represents the generation rate of information signal but also represents the prior probability of the alternative hypothesis in covert communications, which builds up a bridge between information freshness and communication covertness. Our analysis shows that the best transmit probability is not always 0.5, which differs from the equal prior probabilities assumption in most related works on covert communications. Furthermore, the limitation of average AoI enlarges the transmit probability at the cost of the covertness reduction and leads to a positive lower bound on the information transmit power for non-zero covertness.

研究动机与目标

• 解决现有隐蔽通信模型中缺乏信息新鲜度考量的问题。
• 在平均信息年龄（AoI）约束下建立并优化隐蔽性模型。
• 分析全双工系统中人工噪声存在下，通信隐蔽性与信息新鲜度之间的权衡。
• 确定在满足所需平均AoI条件下的最优信息信号发送概率，以最大化隐蔽性。

提出的方法

• 采用随机化传输策略，在平均AoI约束下建立隐蔽性最大化问题。
• 在块衰落瑞利信道中建模系统，全双工接收机通过发射人工噪声（AN）来干扰监控者。
• 推导出平均AoI和监控者期望检测错误概率的闭式表达式。
• 优化发送概率，以在给定平均服务时间约束下最大化检测错误概率（即最小化监控者检测传输的能力）。
• 在全双工接收机中使用干扰消除技术，以抑制来自AN传输的自干扰。
• 分析三种检测阈值τ的情况，以推导最优阈值及其对应的检测错误概率。

Figure 1: One possible evolution of the instantaneous AoI versus the index of time slot for the considered covert communication system.

实验结果

研究问题

• RQ1 在平均AoI约束下，使隐蔽性最大化的信息信号最优发送概率是什么？
• RQ2 平均AoI约束如何影响实现非零隐蔽性所需的发送功率？
• RQ3 当考虑信息新鲜度时，最优发送概率是否仍为0.5，如先前研究假设的那样？
• RQ4 监控者的检测性能如何随不同发送概率和信道条件而变化？
• RQ5 全双工接收机产生的人工噪声对隐蔽性与信息新鲜度之间的权衡有何影响？

主要发现

• 最优发送概率并不总是0.5；由于平均AoI的约束，其可能超过0.5，这与先前研究中假设的先验概率相等相矛盾。
• 平均AoI约束迫使发送端提高发送概率，这会降低隐蔽性，但可确保信息新鲜度。
• 当平均AoI受到约束时，为实现非零隐蔽性，信息发送功率必须存在正的下限。
• 监控者的检测错误概率取决于发送概率和信道增益，最优检测阈值的选择对最大化隐蔽性至关重要。
• 基于检测阈值τ，检测错误概率表达式被分为三种不同情况，最优τ值取决于信道增益，可能为下界或上界。