[论文解读] Pilot-Based Channel Estimation Design in Covert Wireless Communication

Tingzhen Xu, Linlin Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2019

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用 11

一句话总结

本文提出了一种用于隐蔽无线通信的导频式信道估计设计，表明将相等的功率分配给导频与信息信号可最小化Willie的检测性能。在更严格的隐蔽性约束下，导频的最优信道使用数增加，从而在有限块长条件下最大化有效SINR。

ABSTRACT

In this work, for the first time, we tackle channel estimation design with pilots in the context of covert wireless communication. Specifically, we consider Rayleigh fading for the communication channel from a transmitter to a receiver and additive white Gaussian noise (AWGN) for the detection channel from the transmitter to a warden. Before transmitting information signals, the transmitter has to send pilots to enable channel estimation at the receiver. Using a lower bound on the detection error probability, we first prove that transmitting pilot and information signals with equal power can minimize the detection performance at the warden, which is confirmed by the minimum detection error probability achieved by the optimal detector based on likelihood ratio test. This motivates us to consider the equal transmit power in the channel estimation and then optimize channel use allocation between pilot and information signals in covert wireless communication. Our analysis shows that the optimal number of the channel uses allocated to pilots increases as the covertness constraint becomes tighter. In addition, our examination shows that the optimal percentage of all the available channel uses allocated to channel estimation decreases as the total number of channel uses increases.

研究动机与目标

• 为解决隐蔽无线通信中缺乏信道估计设计的问题，特别是有限块长约束下的问题。
• 研究导频与信息信号的功率分配如何影响Willie的检测性能。
• 优化导频与信息信号之间的信道使用分配，以在保持隐蔽性的同时最大化通信可靠性。
• 推导在隐蔽性约束下分配给导频信号的最优信道使用数的解析表达式。

提出的方法

• 使用Kullback-Leibler（KL）散度推导出守卫方（Willie）最小检测错误概率的下界。
• 证明导频与信息信号采用相等发射功率可最小化Willie的检测性能，该结论通过似然比检验分析得到验证。
• 推导在隐蔽性约束下可最大化有效信号干扰加噪声比（SINR）的导频最优信道使用数 $ n_p^* $。
• 通过改变 $ n_p $ 和 $ \epsilon $（隐蔽性参数）分析信道估计精度与隐蔽性之间的权衡。
• 通过数值仿真验证分析结果，显示分析与数值优化所得的最优 $ n_p^* $ 完全一致。
• 考虑Alice-Bob链路为瑞利衰落信道，Alice-Willie检测链路为加性白高斯噪声（AWGN）信道，并假设为有限块长。

实验结果

研究问题

• RQ1 导频与信息信号之间的非相等功率分配是否会因提升Willie的检测性能而降低隐蔽性？
• RQ2 在满足隐蔽性约束的前提下，使有效SINR最大化的导频最优信道使用数是多少？
• RQ3 最优导频资源分配如何随隐蔽性要求和总信道使用数变化？
• RQ4 在隐蔽通信中，导频与信息信号采用相等功率分配是否可最小化Willie的检测错误概率？
• RQ5 随着总信道使用数增加，导频与总信道使用数的比例如何变化？

主要发现

• 导频与信息信号采用相等发射功率可最小化Willie的检测错误概率，该结论由KL散度下界和最优似然比检验共同验证。
• 随着隐蔽性约束变得更严格（即 $ \epsilon $ 减小），导频的最优信道使用数 $ n_p^* $ 增加。
• 随着总信道使用数 $ n $ 增加，比值 $ n_p^* / n $ 减小，表明在大块长系统中信道估计开销呈递减趋势。
• 数值结果证实，$ n_p^* $ 的分析解与数值优化结果完全一致，验证了推导公式的正确性。
• 当 $ \epsilon $ 减小时，最大有效SINR显著下降，证实隐蔽性是隐蔽系统中的主要性能限制因素。
• 最优导频分配策略对于在可靠通信与低可检测性之间实现平衡至关重要，尤其是在有限块长的隐蔽系统中。