[论文解读] Covert Wireless Communications with Channel Inversion Power Control in Rayleigh Fading

Jinsong Hu, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 32被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在瑞利衰落信道中利用信道逆跟踪功率控制（CIPC）实现隐蔽无线通信的方案，其中全双工接收机使发射机能够通过调整发射功率和相位而不依赖反馈来隐藏自身，从而避开监管者的检测。截断式CIPC方案通过在检测误差约束下实现最优功率控制，其有效隐蔽吞吐量高于传统CIPC方案。

ABSTRACT

In this work, we adopt channel inversion power control (CIPC) to achieve covert communications aided by a full-duplex receiver. Specifically, the transmitter varies the power and phase of transmitted signals as per the channel to the receiver, such that the receiver can decode these signals without knowing the channel state information. This eliminates the required feedback from the transmitter to the receiver, which aids hiding the transmitter from a warden. The truncated CIPC and conventional CIPC schemes are proposed and examined, where for truncated CIPC covert transmission ceases when the channel quality from the transmitter to the receiver is low, while for conventional CIPC covert transmission always occurs regardless of this channel quality. We examine their performance in terms of the achieved effective covert throughput (ECT), which quantifies the amount of information that the transmitter can reliably convey to the receiver, subject to the constraint that the warden's detection error probability is no less than some specific value. Our examination shows that the truncated CIPC scheme can outperform the conventional CIPC scheme due to this constraint.

研究动机与目标

• 为解决在无线网络中隐藏发射机以避免被监管者发现的挑战，特别是在物联网和军事应用中，位置暴露具有关键影响。
• 克服现有隐蔽通信方案仅隐藏传输活动、而无法隐藏发射机本身这一局限性。
• 设计一种无需接收机向发射机反馈的功率控制策略，以实现可靠且隐蔽的通信。
• 在监管者检测误差约束下，分析并比较截断式与传统CIPC方案在有效隐蔽吞吐量方面的性能。

提出的方法

• 发射机使用信道逆跟踪功率控制（CIPC）根据与接收机之间的信道条件自适应调整发射功率和相位，从而无需反馈。
• 采用全双工接收机以实现同时收发，支持隐蔽通信而不暴露发射机的存在。
• 截断式CIPC方案在到达接收机的信道质量较差时暂停传输，而传统CIPC方案则无论信道质量如何均持续传输。
• 通过将监管者的检测误差概率约束在阈值以内以确保隐蔽通信，并在该约束下最大化有效隐蔽吞吐量（ECT）。
• 通过中断概率和检测误差概率对性能进行分析，通过优化人工噪声功率和传输功率，实现可靠性和隐蔽性之间的平衡。
• 利用数值结果评估在最大发射功率和检测约束变化下的ECT，通过数值搜索方法推导最优功率分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无接收机反馈的情况下，信道逆跟踪功率控制（CIPC）能否有效用于瑞利衰落信道中的隐蔽通信？
• RQ2 与传统CIPC方案相比，截断式CIPC方案（在信道质量差时暂停传输）在有效隐蔽吞吐量方面表现如何？
• RQ3 在监管者检测误差概率约束下，发射机和人工噪声源的最大发射功率 $ P_a^{ ext{max}} $ 和 $ P_b^{ ext{max}} $ 的最优值是什么，可使有效隐蔽吞吐量最大化？
• RQ4 由于可靠性和隐蔽性之间的权衡，截断式CIPC方案是否因更优的功率控制而优于传统CIPC方案？
• RQ5 参数 $ P_a^{ ext{max}} $ 和 $ P_b^{ ext{max}} $ 如何影响两种方案中的有效隐蔽吞吐量？

主要发现

• 由于在检测约束下实现了更优的功率控制，截断式CIPC方案的有效隐蔽吞吐量（ECT）最大值高于传统CIPC方案。
• 在截断式CIPC方案中，存在一个使ECT最大化的鲍勃端最大发射功率 $ P_b^{ ext{max}} $ 的最优值，超过该值后性能因可检测性增加而下降。
• 传统CIPC方案的ECT随 $ P_b^{ ext{max}} $ 单调增加，当 $ P_b^{ ext{max}} $ 增大时趋近于一个上界。
• 截断式CIPC方案的ECT随 $ P_a^{ ext{max}} $ 先增加后减小，表明存在一个使性能最优的发射功率。
• 随着 $ P_a^{ ext{max}} $ 增大，截断式CIPC方案的ECT趋近于传统CIPC方案的ECT，验证了分析结果。
• 隐蔽通信约束（即监管者检测误差概率阈值 $ \epsilon $）是限制ECT的主要因素，$ \epsilon $ 越高，ECT越高。