[论文解读] Generalized Secure Transmission Protocol for Flexible Load-Balance Control with Cooperative Relays in Two-Hop Wireless Networks

Yulong Shen, Xiaohong Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出了一种适用于两跳无线网络的广义安全传输协议（2HR-(r,k)），可在无需知晓窃听者信道或位置信息的情况下，灵活实现协作中继之间的负载均衡。通过从源-目的地中点周围半径为r的区域内选择k个最佳中继中的一个随机中继，该协议在保密性、可靠性和负载分配之间实现平衡，理论分析表明，该协议可将最优和随机中继选择作为特例进行推广，并在给定中断约束下容忍指定数量的窃听者。

ABSTRACT

This work considers secure transmission protocol for flexible load-balance control in two-hop relay wireless networks without the information of both eavesdropper channels and locations. The available secure transmission protocols via relay cooperation in physical layer secrecy framework cannot provide a flexible load-balance control, which may significantly limit their application scopes. This paper extends the conventional works and proposes a general transmission protocol with considering load-balance control, in which the relay is randomly selected from the first $k$ preferable assistant relays located in the circle area with the radius $r$ and the center at the middle between source and destination (2HR-($r,k$) for short). This protocol covers the available works as special cases, like ones with the optimal relay selection ($r=\infty$, $k=1$) and with the random relay selection ($r=\infty$, $k = n$ i.e. the number of system nodes) in the case of equal path-loss, ones with relay selected from relay selection region ($r \in (0, \infty), k = 1$) in the case of distance-dependent path-loss. The theoretic analysis is further 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. The analysis results also show the proposed protocol can balance load distributed among the relays by a proper setting of $r$ and $k$ under the premise of specified secure and reliable requirements.

研究动机与目标

• 解决现有物理层安全传输协议在两跳中继网络中缺乏灵活负载均衡控制的问题。
• 设计一种广义传输协议，保持保密性和可靠性的同时，实现在中继之间的动态负载分配。
• 在给定保密性和可靠性约束下，确定网络可容忍的最大窃听者数量。
• 将现有协议（如最优和随机中继选择）统一到一个可调节参数r和k的框架中。
• 在瑞利衰落和路径损耗模型下，提供保密中断和传输中断概率的理论分析。

提出的方法

• 提出广义传输协议2HR-(r,k)，其中中继从位于源-目的地中点为中心、半径为r的圆形区域内k个最佳中继中随机选择。
• 利用顺序统计方法建模n个中继中min(|h_{S,R_j}|², |h_{D,R_j}|²)的第k个最大值的分布，以表征中继选择性能。
• 应用顺序统计理论和指数随机变量，推导出所选中继信道增益的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）的精确表达式。
• 在瑞利衰落和等路径损耗条件下，推导出保密中断概率和传输中断概率的闭式表达式。
• 利用推导出的中断概率，确定在满足性能要求的前提下网络可容忍的最大窃听者数量。
• 通过证明特殊情形包括最优中继选择（r=∞, k=1）和随机中继选择（r=∞, k=n），验证了协议的通用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种安全传输协议，在无需事先知晓窃听者位置或信道状态的情况下，灵活实现中继间的负载均衡？
• RQ2 在保持所需保密性和可靠性性能的前提下，两跳网络可容忍的最大窃听者数量是多少？
• RQ3 参数r（半径）和k（候选中继数量）如何影响负载均衡、传输效率与安全性之间的权衡？
• RQ4 所提出的协议能否将现有安全中继选择方案（如最优和随机中继选择）统一为一个通用框架？
• RQ5 在瑞利衰落和等路径损耗条件下，保密中断和传输中断概率的精确表达式是什么？

主要发现

• 2HR-(r,k)协议将现有安全中继协议（包括最优中继选择，即r=∞, k=1；和随机中继选择，即r=∞, k=n）作为特例进行推广。
• 理论分析表明，通过合理调节参数r和k，该协议可在保持所需保密性和可靠性的同时，实现中继间的负载均衡。
• 利用指数随机变量的顺序统计，推导出所选中继信道增益的CDF和PDF的精确闭式表达式。
• 在瑞利衰落和等路径损耗条件下，保密中断概率和传输中断概率均推导出闭式表达式。
• 基于指定的保密性和可靠性约束，解析确定了网络可容忍的最大窃听者数量。
• 通过调节参数r和k，该协议实现了负载均衡与传输效率之间的灵活权衡，适用于无线传感器网络等能量受限场景。