[论文解读] On Eavesdropper-Tolerance Capability of Two-Hop Wireless Networks

Yanchun Zhang, Yulong Shen+2 more|Victoria University Research Repository (Victoria University)|Dec 13, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 37被引用 11

一句话总结

本文提出了一套理论框架，用于确定在使用协作干扰和机会中继的情况下，两跳无线网络在保持保密性和可靠性的同时可容忍的最大窃听者数量。通过利用中心极限定理和随机序理论对保密中断概率（SOP）和传输中断概率（TOP）进行建模，作者推导出在实际衰落条件下的闭式表达式，以量化窃听者容忍能力。

ABSTRACT

Two-hop wireless network serves as the basic net-work model for the study of general wireless networks, while cooperative jamming is a promising scheme to achieve the physi-cal layer security. This paper establishes a theoretical framework for the study of eavesdropper-tolerance capability (i.e., the exact maximum number of eavesdroppers that can be tolerated) in a two-hop wireless network, where the cooperative jamming is adopted to ensure security defined by secrecy outage probability (SOP) and opportunistic relaying is adopted to guarantee relia-bility defined by transmission outage probability (TOP). For the concerned network, closed form modeling for both SOP and TOP is first conducted based on the Central Limit Theorem. With the help of SOP and TOP models and also the Stochastic Ordering Theory, the model for eavesdropper-tolerance capability analysis is then developed. Finally, extensive simulation and numerical results are provided to illustrate the efficiency of our theoretical framework as well as the eavesdropper-tolerance capability of the concerned network from adopting cooperative jamming and opportunistic relaying.

研究动机与目标

• 建立一个理论框架，用于量化两跳无线网络在保持物理层安全的同时可容忍的最大窃听者数量。
• 通过在瑞利衰落信道下对保密中断概率（SOP）和传输中断概率（TOP）进行建模，联合优化保密性和可靠性。
• 利用协作干扰和机会中继增强安全性，而无需依赖密钥分发或高复杂度硬件。
• 利用中心极限定理推导SOP和TOP的闭式近似，以实现可分析的建模。
• 应用随机序理论，表征在实际约束条件下网络的窃听者容忍能力。

提出的方法

• 使用指数分布随机变量对两跳网络中的端到端信道增益进行建模，以表征瑞利衰落信道。
• 应用中心极限定理，对表示干扰功率的独立同分布随机变量之和进行近似，从而实现SOP和TOP的闭式建模。
• 利用顺序统计和两个指数变量的最小值，推导出所选中继信道增益的概率分布。
• 使用全概率法则，并对中继选择变量进行积分，以计算联合中断概率。
• 为干扰功率引入混合类型分布，并通过正态分布近似以实现分析的可 tractability（可处理性）。
• 采用随机序理论，比较不同窃听者数量下的系统性能，并推导出窃听者容忍阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持目标保密中断概率的前提下，两跳无线网络最多可容忍多少窃听者？
• RQ2 协作干扰与机会中继的结合如何影响网络的可靠性和保密性能？
• RQ3 在瑞利衰落信道下，能否利用中心极限定理推导出保密中断概率（SOP）和传输中断概率（TOP）的闭式表达式？
• RQ4 中继数量和窃听者数量如何影响系统的窃听者容忍能力？
• RQ5 信道衰落和中继选择分集对网络维持安全可靠通信能力有何影响？

主要发现

• 本文利用中心极限定理推导出保密中断概率（SOP）的闭式近似，实现了对窃听者容忍能力的可处理分析。
• 传输中断概率（TOP）通过指数随机变量的顺序统计进行建模，并对中继干扰功率之和采用正态近似。
• 窃听者容忍能力被量化为在SOP低于预设阈值条件下的最大窃听者数量，该结果通过随机序理论推导得出。
• 仿真结果验证了理论模型的准确性，表明在中继数量中等至较大时，干扰功率的正态近似与真实分布高度吻合。
• 该框架表明，协作干扰显著增强了安全性，使网络在不牺牲可靠性的情况下可容忍更多窃听者。
• 联合成功传输与保密概率的推导表达式中包含一个超几何函数项，从而可在非对称信道条件下实现精确的性能评估。