[论文解读] Covert Wireless Communication with a Poisson Field of Interferers

Biao He, Shihao Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Wireless Communication Security Techniques被引用 4

一句话总结

本文利用随机几何方法研究了在泊松分布干扰源场中的隐蔽无线通信。结果表明，在干扰受限的场景下，隐蔽吞吐量与干扰源的密度和发射功率无关；然而，当干扰水平较低且与噪声相当，增加干扰源密度或功率可提升隐蔽吞吐量，揭示了由干扰噪声比决定的非单调权衡关系。

ABSTRACT

In this paper, we study covert communication in wireless networks consisting of a transmitter, Alice, an intended receiver, Bob, a warden, Willie, and a Poisson field of interferers. Bob and Willie are subject to uncertain shot noise due to the ambient signals from interferers in the network. With the aid of stochastic geometry, we analyze the throughput of the covert communication between Alice and Bob subject to given requirements on the covertness against Willie and the reliability of decoding at Bob. We consider non-fading and fading channels. We analytically obtain interesting findings on the impacts of the density and the transmit power of the concurrent interferers on the covert throughput. That is, the density and the transmit power of the interferers have no impact on the covert throughput as long as the network stays in the interference-limited regime, for both the non-fading and the fading cases. When the interference is sufficiently small and comparable with the receiver noise, the covert throughput increases as the density or the transmit power of the concurrent interferers increases.

研究动机与目标

• 研究具有泊松分布干扰源的无线网络中的隐蔽通信吞吐量。
• 探究干扰源密度和发射功率对隐蔽性和可靠性的影响。
• 确定在看管人（warden）可能检测到的情况下，仍可实现正向隐蔽吞吐量的条件。
• 利用泊松点过程和随机几何方法，建模随机干扰源对威利（Willie）检测性能的影响。
• 推导在干扰受限和噪声受限两种场景下，隐蔽吞吐量的理论边界。

提出的方法

• 使用齐次泊松点过程（PPP）对随机干扰源进行建模。
• 利用泊松噪声模型在鲍勃（Bob，接收方）和威利（Willie，看管人）处的聚合干扰。
• 应用随机几何方法推导平均隐蔽概率和中断连接概率。
• 通过检测度量的拟凹优化方法，推导威利接收机的最优检测阈值。
• 分析非衰落和衰落信道场景，推导瑞利衰落信道下的闭式吞吐量表达式。
• 以平方根定律作为基线，并将其扩展至具有随机干扰源的干扰受限场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 干扰源密度如何影响无线网络中可实现的最大隐蔽吞吐量？
• RQ2 在干扰受限环境中，干扰源发射功率对隐蔽性和可靠性有何影响？
• RQ3 当干扰水平与接收机噪声相当，何种条件下可实现正向隐蔽吞吐量？
• RQ4 泊松分布干扰源场是否能带来比低干扰环境更高的隐蔽吞吐量？
• RQ5 衰落信道与非衰落信道在隐蔽通信性能上的影响有何不同？

主要发现

• 在干扰受限场景下，无论是否存在非衰落或衰落信道，隐蔽吞吐量均与干扰源密度和发射功率无关。
• 当干扰水平较低且与接收机噪声相当，增加干扰源密度或发射功率可提升隐蔽吞吐量。
• 通过检测度量的拟凹优化方法，推导出威利接收机的最优检测阈值。
• 当威利的检测阈值被设定为拟凹函数的解时，平均隐蔽概率达到最大，从而确保最优检测性能。
• 当系统从噪声受限过渡到干扰受限行为时，吞吐量随干扰源密度和功率的增加而提升。
• 结果表明，随机干扰源可作为隐蔽通信的天然掩护，尤其在干扰足够强以掩盖信号给看管人时。