[论文解读] Modify-and-Forward for Securing Cooperative Relay Communications

Sang Wu Kim|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型物理层安全技术——修正转发（Modify-and-Forward, MF），用于协作中继网络，其中中继在转发前根据信道状态对接收信息进行修改。接收端通过其独有的中继-接收端信道状态知悉修改规则，从而恢复原始信息，而窃听者因缺乏该信道状态信息无法恢复，因此相比DF、DT和CJ，该方案在中继成功解码源消息时能实现更低的保密中断概率。

ABSTRACT

We proposed a new physical layer technique that can enhance the security of cooperative relay communications. The proposed approach modifies the decoded message at the relay according to the unique channel state between the relay and the destination such that the destination can utilize the modified message to its advantage while the eavesdropper cannot. We present a practical method for securely sharing the modification rule between the legitimate partners and present the secrecy outage probability in a quasi-static fading channel. It is demonstrated that the proposed scheme can provide a significant improvement over other schemes when the relay can successfully decode the source message.

研究动机与目标

• 在不依赖人工噪声或干扰的情况下，提升协作中继通信中的物理层安全性。
• 解决在不向窃听者暴露的情况下，安全共享中继与接收端之间消息修改规则的挑战。
• 设计一种方案，利用中继-接收端无线信道状态的唯一性、互易性和私密性，提升保密速率。
• 在准静态瑞利衰落信道中，通过保密中断概率量化保密性能。

提出的方法

• 中继解码源消息X，并基于中继与接收端之间的唯一信道增益hrd生成修改后消息X′。
• 修改规则X′ − X由hrd导出，并通过无线信道的互易性隐式共享，而非通过显式信令。
• 接收端利用对hrd的已知信息，通过抵消X′中已知差值恢复X，而窃听者因缺乏hrd信息而无法实现。
• 保密中断概率被定义为：中继-接收端速率与源-接收端速率的最小值低于目标保密速率加上窃听者速率的概率。
• 系统将所有链路建模为独立的准静态瑞利衰落信道，并加入加性白高斯噪声。
• 分析假设所有码字均来自具有相等功率和零均值的高斯码书，且中继仅在成功解码源消息时才进行转发。

实验结果

研究问题

• RQ1 中继能否通过修改其转发的消息而非简单重传或干扰，来提升协作通信中的保密性？
• RQ2 如何在不向窃听者暴露的情况下，安全地在中继与接收端之间共享X与X′之间的修改规则？
• RQ3 与直接传输、解码转发和协作干扰相比，所提出的MF方案的保密中断概率如何？
• RQ4 MF的性能如何受信噪比等信道条件的影响，如源-中继链路和源-窃听者链路的SNR？

主要发现

• 所提出的MF方案在所有信道条件和目标保密速率下，保密中断概率均低于解码转发（DF）。
• 当中继能够成功解码源消息时，MF在低至中等目标保密速率下显著优于DF、DT和CJ。
• 在高源-中继信噪比下，MF的保密中断概率保持恒定，因为中继的解码能力不再成为瓶颈。
• 当目标保密速率R较小时，MF相比传统方案有显著性能增益，且随着R超过某一阈值，增益逐渐减小。
• 由于中继主动修改消息，MF的保密中断概率对源-窃听者信道增益的敏感性低于DF和DT。
• 通过信道增益的累积分布函数，以闭式表达式推导出理论保密中断概率，其中考虑了最小值min{X, Z}和Y在中断条件中的影响。