[论文解读] Exploring Relay Cooperation for Secure and Reliable Transmission in Two-Hop Wireless Networks

Yulong Shen, Xiaohong Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出了一种中继协作方案，用于在已知窃听者位置和信道状态未知的情况下，实现安全且可靠的两跳无线网络。该文提出了两种协议——一种为最优但复杂的中继选择方案，另一种为随机但负载均衡的方案——并推导出在满足保密性和可靠性中断约束条件下，有限网络可容忍的最大窃听者数量的精确解析边界，该结果在均匀路径损耗和距离相关路径损耗模型下均通过理论分析得到验证。

ABSTRACT

This work considers the problem of secure and reliable information transmission via relay cooperation in two-hop relay wireless networks without the information of both eavesdropper channels and locations. While previous work on this problem mainly studied infinite networks and their asymptotic behavior and scaling law results, this papers focuses on a more practical network with finite number of system nodes and explores the corresponding exact result on the number of eavesdroppers one network can tolerant to ensure desired secrecy and reliability. We first study the scenario where path-loss is equal between all pairs of nodes and consider two transmission protocols there, one adopts an optimal but complex relay selection process with less load balance capacity while the other adopts a random but simple relay selection process with good load balance capacity. Theoretical analysis is then provided to determine the maximum number of eavesdroppers one network can tolerate to ensure a desired performance in terms of the secrecy outage probability and transmission outage probability. We further extend our study to the more general scenario where path-loss between each pair of nodes also depends the distance between them, for which a new transmission protocol with both preferable relay selection and good load balance as well as the corresponding theoretical analysis are presented.

研究动机与目标

• 解决在两跳中继网络中，当窃听者信道和位置未知时，物理层安全领域缺乏精确的有限网络结果的问题。
• 设计实用的中继协议，以在有限尺寸网络中平衡保密性、可靠性和负载分布。
• 提供网络在满足指定保密性和传输中断概率阈值条件下，可容忍的窃听者数量的精确解析边界。

提出的方法

• 提出一种协作中继协议，采用最优但复杂的中继选择方法，在路径损耗相等条件下实现最大保密性和可靠性。
• 引入一种新颖的随机中继选择协议，以改善负载均衡，同时保持可接受的保密性和可靠性性能。
• 利用随机几何和马尔可夫不等式，推导出保密中断概率和传输中断概率的理论上限。
• 基于最坏情况（最小干扰）场景，使用空间平均干扰功率建模窃听者处的干扰。
• 通过引入一种新的中继选择协议，将分析扩展到距离相关路径损耗模型，该协议优先考虑中继的接近度和抗干扰能力。
• 采用中断概率度量性能，并为最优和随机协议分别推导出闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在维持期望的保密中断概率和传输中断概率条件下，有限两跳无线网络可容忍的最大窃听者数量是多少？
• RQ2 在窃听者条件未知的情况下，随机中继选择与最优中继选择在负载均衡和安全-可靠性权衡方面有何比较？
• RQ3 距离相关路径损耗对中继辅助两跳网络中可实现的保密性和可靠性性能有何影响？
• RQ4 能否设计一种新的中继选择协议，以在实际有限网络中同时实现良好的负载均衡和强物理层安全性？
• RQ5 在现实假设下，保密中断概率和传输中断概率的理论边界如何随网络规模、发射功率和窃听者密度变化而变化？

主要发现

• 本文推导出保密中断概率的上界，该上界与窃听者数量、路径损耗指数和网络密度成比例，表明该概率随合法节点数量的增加呈指数下降。
• 对于最优中继选择协议，保密中断概率受一个涉及信干噪比（SINR）倒数和干扰源数量的项所限制，且随着网络规模增大，该边界趋于收紧。
• 随机中继选择协议在负载均衡方面显著优于最优协议，同时保持了相近的保密中断性能，因此在实际部署中更具可行性。
• 在距离相关路径损耗条件下，所提出的新型协议通过选择既靠近源又远离潜在窃听者的中继，实现了保密性和可靠性的提升。
• 理论分析表明，可容忍的窃听者最大数量与期望的保密中断阈值成反比，与网络的发射功率和路径损耗指数成正比。
• 所推导的边界紧致且实用，使网络设计者能够为有限网络精确计算可容忍的窃听者数量，而不同于以往的渐近尺度律。