[论文解读] Secrecy Outage Capacity of Fading Channels

Onur Güngör, Jian Tan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了衰落信道下的保密中断容量概念，刻画了在延迟约束下安全通信的根本极限。通过采用机会性密钥交换与功率控制相结合的关键缓冲方案，即使在窃听者信道平均更强的情况下，也能实现非零的保密速率，且在发射端具备完整与部分信道状态信息的情况下，均推导出精确的容量边界。

ABSTRACT

This paper considers point to point secure communication over flat fading channels under an outage constraint. More specifically, we extend the definition of outage capacity to account for the secrecy constraint and obtain sharp characterizations of the corresponding fundamental limits under two different assumptions on the transmitter CSI (Channel state information). First, we find the outage secrecy capacity assuming that the transmitter has perfect knowledge of the legitimate and eavesdropper channel gains. In this scenario, the capacity achieving scheme relies on opportunistically exchanging private keys between the legitimate nodes. These keys are stored in a key buffer and later used to secure delay sensitive data using the Vernam's one time pad technique. We then extend our results to the more practical scenario where the transmitter is assumed to know only the legitimate channel gain. Here, our achievability arguments rely on privacy amplification techniques to generate secret key bits. In the two cases, we also characterize the optimal power control policies which, interestingly, turn out to be a judicious combination of channel inversion and the optimal ergodic strategy. Finally, we analyze the effect of key buffer overflow on the overall outage probability.

研究动机与目标

• 解决在具有保密约束的衰落信道上，针对延迟敏感业务的安全通信的根本极限问题。
• 克服当窃听者信道平均强于合法用户信道时，保密容量为零的局限性。
• 在两种情形下刻画保密中断容量：发射端具备完整信道状态信息（合法与窃听者信道均已知）和部分信道状态信息（仅合法信道已知）。
• 推导结合信道倒置与遍历策略的最优功率控制策略，以在中断约束下最大化保密速率。
• 分析关键缓冲溢出对保密中断概率的影响，给出有限缓冲大小下的损失概率边界。

提出的方法

• 提出一种保密中断容量框架，将传统中断容量扩展以纳入保密约束。
• 在发射端与接收端均使用关键缓冲，以存储在主信道优于窃听者信道的有利信道状态下生成的保密密钥比特。
• 使用一次性密码本（维恩兰密码）对延迟敏感数据进行加密，利用存储的密钥比特，避免在窃听者信道条件较差时发生保密中断。
• 在完整信道状态信息情况下，通过结合信道倒置与遍历功率分配策略，推导出在中断约束下最大化保密速率的最优功率控制策略。
• 在部分信道状态信息情况下，采用隐私放大技术生成保密密钥比特，无需窃听者信道状态信息，仅依赖主信道反馈。
• 建立关键队列动态模型，并利用重交通排队论与Loynes稳定性结果，推导关键缓冲溢出概率的渐近尾部边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保密中断约束下，延迟敏感业务在衰落信道上的安全通信根本极限是什么？
• RQ2 当发射端具备合法与窃听者信道增益的完整知识时，保密中断容量如何变化？
• RQ3 当仅合法信道状态已知时，最大化保密速率的最优功率控制策略是什么，且需满足保密中断约束？
• RQ4 在具有有限缓冲大小的实际系统中，关键缓冲溢出如何影响整体保密中断概率？
• RQ5 当窃听者信道平均强于合法信道时，是否仍能为延迟受限业务实现非零保密速率？

主要发现

• 即使窃听者信道平均更强，只要发射端能在有利信道状态下机会性地交换密钥，保密中断容量仍严格为正。
• 在完整信道状态信息情况下，最优功率控制策略是信道倒置与遍历功率分配的混合策略，在中断约束下实现最高可能的保密速率。
• 在部分信道状态信息场景下，隐私放大技术可在无需窃听者信道状态信息的情况下实现保密密钥生成，且通过有限缓冲模型刻画了相应的保密中断容量。
• 利用重交通排队论对关键缓冲溢出概率进行边界界定，结果表明在最优功率控制下，损失比率随缓冲大小呈指数衰减。
• 在重交通条件下，关键队列的渐近尾部分布收敛于指数分布，衰减速率取决于超出保密容量的速率。
• 推导出的保密中断容量与功率控制策略具有紧致性，且推广了先前关于延迟受限保密容量的研究，为实际系统提供了精确的根本极限。