[论文解读] Information-Theoretic Security or Covert Communication

Moslem Forouzesh, Paeiz Azmi+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 24被引用 8

一句话总结

本文在仅使用信道分布信息（CDI）的统一框架下，研究了信息论安全与隐蔽通信。通过成功凸逼近（SCA）和凸松弛方法，制定了保密与隐蔽速率的功率分配问题，结果表明，尽管检测约束更严格，当鲍勃远离爱丽丝时，隐蔽通信的速率反而高于保密通信。

ABSTRACT

Information-theoretic secrecy, in particular the wiretap channel formulation, provides protection against interception of a message by adversary Eve and has been widely studied in the last two decades. In contrast, covert communications under an analogous formulation provides protection against even the detection of the presence of the message by an adversary, and it has drawn significant interest recently. These two security topics are generally applicable in different scenarios; however, here we explore what can be learned by studying them under a common framework. Under a similar but not identical mathematical formulation, we introduce power optimization problems for each of the secrecy and the covert communications scenario, and we exploit common aspects of the problems to employ similar tools in their respective optimizations. Moreover, due to the practical limitations, we assume only channel

研究动机与目标

• 分析并比较在具有干扰器的四节点窃听信道模型下，信息论安全与隐蔽通信的性能。
• 解决仅具备信道分布信息（CDI）而非完整信道状态信息（CSI）时，保密与隐蔽速率的优化实际挑战。
• 量化在现实信道不确定性下，实现保密性（隐藏消息内容）与隐蔽性（隐藏消息存在）之间的性能权衡。
• 评估两种方案对窃听者（艾娃）与干扰器位置的敏感性，尤其在可实现速率方面的表现。

提出的方法

• 在发射功率约束下，构建遍历保密速率最大化问题，利用遍历保密速率的紧下界以实现优化。
• 应用成功凸逼近（SCA）方法，迭代求解在CDI下的非凸保密速率最大化问题。
• 针对隐蔽通信，引入辅助变量将非凸优化问题转化为凸问题，通过凸松弛实现高效求解。
• 将艾娃（守卫）处的检测错误概率建模为发射功率、距离与路径损耗的函数，并施加最小检测错误概率约束（例如，90%、99%、99.9%）。
• 采用瑞利衰落信道模型，包含路径损耗与阴影衰落，假设发射端（爱丽丝）仅具备CDI，而非瞬时CSI。
• 通过数值仿真，评估爱丽丝-鲍勃、爱丽丝-艾娃与干扰器-艾娃之间不同距离下的遍历保密速率与隐蔽速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅具备CDI时，隐蔽通信的可实现速率与信息论保密通信相比如何？
• RQ2 提高艾娃处所需的检测错误概率（即增加检测难度）对可实现隐蔽速率有何影响？
• RQ3 保密速率与隐蔽速率对艾娃相对于爱丽丝与鲍勃位置的敏感性如何？
• RQ4 所提出的SCA与凸松弛方法在最优性差距方面与穷举搜索相比表现如何？
• RQ5 在何种条件下，隐蔽通信在可实现速率上优于保密通信？

主要发现

• 当鲍勃靠近爱丽丝（例如5米）时，信息论保密通信的速率高于隐蔽通信，这是由于干扰与功率约束更低。
• 当鲍勃远离爱丽丝（例如7–10米）时，隐蔽通信方案优于保密通信，表明性能表现随距离变化而反转。
• 将艾娃处所需的检测错误概率从90%提高到99.9%，隐蔽速率降低1.76倍，表明更高隐蔽性要求带来显著性能损失。
• 保密速率对艾娃位置的敏感度高于隐蔽速率；艾娃与爱丽丝距离的微小变化会显著影响保密速率，而隐蔽速率更具鲁棒性。
• 所提出的SCA与凸松弛方法与穷举搜索相比具有较小的最优性差距，验证了其在实际功率分配中的有效性。
• 干扰器与艾娃之间的距离对隐蔽速率的影响小于爱丽丝与艾娃之间的距离，表明爱丽丝-艾娃距离是隐蔽性的主导因素。