[论文解读] Multi-Phase Smart Relaying and Cooperative Jamming in Secure Cognitive Radio Networks

Pin-Hsun Lin, Frédéric Gabry+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用 8

一句话总结

本文提出了一种认知无线电网络中的多阶段智能中继与协作干扰方案，以实现安全的频谱共享，其中次用户在不损害主用户保密速率的前提下中继主用户的信号并传输自身的数据。通过利用Gelfand-Pinsker编码并优化传输阶段，该方案实现了接近容量的性能（每信道使用相差0.3比特），并能根据节点几何结构自适应调整，以实现最优吞吐量与安全性。

ABSTRACT

In this paper we investigate cooperative secure communications in a four-node cognitive radio network where the secondary receiver is treated as a potential eavesdropper with respect to the primary transmission. The secondary user is allowed to transmit his own signals under the condition that the primary user's secrecy rate and transmission scheme are intact. Under this setting we derive the secondary user's achievable rates and the related constraints to guarantee the primary user's weak secrecy rate, when Gelfand-Pinsker coding is used at the secondary transmitter. In addition, we propose a multi-phase transmission scheme to include 1) the phases of the clean relaying with cooperative jamming and 2) the latency to successfully decode the primary message at the secondary transmitter. A capacity upper bound for the secondary user is also derived. Numerical results show that: 1) the proposed scheme can outperform the traditional ones by properly selecting the secondary user's parameters of different transmission schemes according to the relative positions of the nodes; 2) the derived capacity upper bound is close to the secondary user's achievable rate within 0.3 bits/channel use, especially when the secondary transmitter/receiver is far/close enough to the primary receiver/transmitter, respectively. Thereby, a smart secondary transmitter is able to adapt its relaying and cooperative jamming to guarantee primary secrecy rates and to transmit its own data at the same time from relevant geometric positions.

研究动机与目标

• 在认知无线电网络中使次用户能够传输自身数据，而不会降低主用户的保密速率。
• 设计一种传输方案，确保在协作中继与干扰条件下主用户的弱保密速率得以维持。
• 在保密约束下推导次用户的可实现速率与容量上界。
• 基于节点相对位置优化传输参数，以提升频谱效率与安全性。
• 通过数值结果验证方案性能，显示其接近最优速率，并能适应网络几何结构。

提出的方法

• 在次用户发射机采用Gelfand-Pinsker编码来编码其消息，同时保持主用户的保密速率。
• 引入一种结合纯净中继与协作干扰的多阶段传输方案，以增强可靠性与安全性。
• 推导功率分配与波束成形系数的约束条件，以确保主用户的目标保密速率得以维持。
• 使用傅里叶-莫茨金消去法与互信息界，推导次用户可实现速率的上下界。
• 分析上下界自由度（DoF），以评估次用户发射功率增大时的渐近性能。
• 基于节点几何结构与信道条件，优化干扰功率比例与波束成形权重等参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使次用户在传输自身数据的同时，确保主用户的保密速率保持不变？
• RQ2 何种传输策略能够在四节点认知无线电网络中同时实现可靠中继与有效协作干扰？
• RQ3 节点的相对位置如何影响次用户的可实现速率与保密性能？
• RQ4 所推导的容量上界与次用户可实现速率之间的差距是多少？
• RQ5 在高功率场景下系统性能如何？次用户速率的渐近自由度是多少？

主要发现

• 当基于节点几何结构合理选择次用户参数时，所提方案优于传统方法。
• 所推导的容量上界与可实现速率之间的差距在每信道使用0.3比特以内，尤其当次用户发射机或接收机分别远离或靠近主用户发射机或接收机时表现更优。
• 在最优功率分配与波束成形设计下，次用户的可实现速率趋近于上界。
• 在高功率场景下，上界的自由度（DoF）为1，表明次用户链路实现了全复 multiplexing gain。
• 当至主用户接收机的信道系数较大时，下界的DoF趋近于1，与上界一致，证实了近似最优性能。
• 数值结果表明，在高信噪比（SNR）场景下，将干扰功率比例设为零仍能保持最优性能，表明干扰在中等功率水平下效果最佳。