[论文解读] Physical Layer Security for Two-Way Untrusted Relaying with Friendly Jammers

Rongqing Zhang, Lingyang song Zhu Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用 13

一句话总结

本文提出了一种基于Stackelberg博弈的功率控制方案，以增强双向不可信中继网络中的物理层安全性。通过将源节点建模为买家，友好干扰器建模为卖家，该方案优化了干扰功率和定价策略，以最大化保密速率，在分布式方式下实现了接近集中式性能的效果。

ABSTRACT

In this paper, we consider a two-way relay network where two sources can communicate only through an untrusted intermediate relay, and investigate the physical layer security issue of this two-way relay scenario. Specifically, we treat the intermediate relay as an eavesdropper from which the information transmitted by the sources needs to be kept secret, despite the fact that its cooperation in relaying this information is essential. We indicate that a non-zero secrecy rate is indeed achievable in this two-way relay network even without external friendly jammers. As for the system with friendly jammers, after further analysis, we can obtain that the secrecy rate of the sources can be effectively improved by utilizing proper jamming power from the friendly jammers. Then, we formulate a Stackelberg game model between the sources and the friendly jammers as a power control scheme to achieve the optimized secrecy rate of the sources, in which the sources are treated as the sole buyer and the friendly jammers are the sellers. In addition, the optimal solutions of the jamming power and the asking prices are given and a distributed updating algorithm to obtain the Stakelberg equilibrium is provided for the proposed game. Finally, the simulations results verify the properties and the efficiency of the proposed Stackelberg game based scheme.

研究动机与目标

• 解决双向中继网络中中继节点不可信且可能窃听源节点通信的物理层安全挑战。
• 研究在无外部干扰器的情况下，双向中继系统是否可实现非零保密速率。
• 通过发射人工噪声以混淆不可信中继的友好干扰器，提升保密速率。
• 在源节点与友好干扰器之间开发一种分布式博弈论功率控制机制，以优化保密性能。
• 提供一种可扩展的解决方案，能够适应不同数量和效率的友好干扰器。

提出的方法

• 构建一个Stackelberg博弈模型，其中源节点作为领导者（干扰服务的买家），友好干扰器作为追随者（干扰功率的卖家）。
• 将源节点的效用建模为保密速率增益减去干扰成本，以干扰功率和价格作为决策变量。
• 利用博弈论优化方法推导出最优干扰功率和均衡价格的闭式表达式。
• 提出一种分布式迭代算法，无需集中协调即可收敛至Stackelberg均衡。
• 将信道状态信息和功率约束整合到博弈模型中，以确保实际可行性。
• 在两种场景下评估性能：存在至少一个高效干扰器，以及不存在此类高效干扰器的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无友好干扰器的双向不可信中继网络中，是否可实现非零保密速率？
• RQ2 引入友好干扰器对这种网络中可实现的保密速率有何影响？
• RQ3 在理性定价条件下，友好干扰器的最优功率分配策略是什么，以最大化保密速率？
• RQ4 友好干扰器的数量如何影响最优保密速率，特别是在无单一高效干扰器的情况下？
• RQ5 分布式Stackelberg博弈解的性能与集中式最优解相比有多接近？

主要发现

• 即使在无友好干扰器的情况下，双向不可信中继网络中仍可实现非零保密速率，表明其具备内在的物理层安全潜力。
• 通过部署友好干扰器可显著提升保密速率，最优干扰功率分配可带来最大性能增益。
• 当干扰器效率较高时，源节点始终优先从单一最有效的干扰器购买干扰服务，无论可用干扰器数量多少。
• 在缺乏足够高效干扰器的情况下，增加干扰器数量可提升最优保密速率，但该增益受信道条件和功率约束限制，存在上限。
• 分布式Stackelberg博弈解在保密速率增益较大时，能非常接近集中式最优解。
• 存在定价权衡：若干扰器定价过高，源节点将转向购买更具成本效益的替代服务，从而确保市场效率。