[论文解读] Secret Full-Duplex Communication.

Sanjay Vishwakarma, A. Chockalingam|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Wireless Communication Security Techniques被引用 2

一句话总结

本文提出了一种在单天线用户和窃听者存在下、信道状态信息（CSI）不完美时的保密全双工通信方案。通过联合优化信息信号与干扰信号的功率，该方案最大化总保密速率，实现了可量化CSI不完美影响的保密速率区域。

ABSTRACT

In this paper, we consider the achievable sum secrecy rate in full-duplex wiretap channel in the presence of an eavesdropper and imperfect channel state information (CSI). We assume that the users participating in full-duplex communication and the eavesdropper have single antenna each. The users have individual transmit power constraints. They also transmit jamming signals to improve the secrecy rates. We obtain the achievable perfect secrecy rate region by maximizing the sum secrecy rate. We also obtain the corresponding optimum powers of the message signals and the jamming signals. Numerical results that show the impact of imperfect CSI on the achievable secrecy rate region are presented.

研究动机与目标

• 分析在CSI不完美条件下的全双工窃听信道中可实现的总保密速率。
• 解决在发射端无法完全掌握CSI时维持安全通信的挑战。
• 设计一种联合功率分配策略，用于信息信号与人工干扰信号，以提升保密速率。
• 在单个发射功率约束和CSI不完美条件下，表征完美保密速率区域。
• 量化CSI估计误差对保密速率区域的性能劣化影响。

提出的方法

• 构建一个具有单天线用户和窃听者的全双工窃听信道模型，各用户均受独立功率约束。
• 在发射端引入人工干扰信号，以恶化窃听者的信道质量，同时确保合法接收端的可靠通信。
• 基于不完美CSI，推导总保密速率最大化问题，并采用随机优化技术处理信道不确定性。
• 求解信息信号与干扰信号的最优功率分配，以实现最大总保密速率。
• 将完美保密速率区域表征为在所推导功率分配策略下所有可实现保密速率对的集合。
• 通过数值仿真评估CSI估计误差方差对保密速率区域的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 CSI不完美如何影响全双工窃听信道中可实现的总保密速率？
• RQ2 在功率约束下，为最大化总保密速率，信息信号与干扰信号的最优功率分配策略是什么？
• RQ3 在CSI不完美条件下，完美保密速率区域的结构是怎样的？
• RQ4 CSI估计误差水平如何影响保密速率性能？
• RQ5 在全双工系统中，即使CSI不完美，人工干扰是否仍能提升保密速率？

主要发现

• 所提出的联合功率分配方案在信息信号与干扰信号之间显著提升了可实现的总保密速率，相较于非干扰方案具有明显优势。
• 保密速率区域被明确表征为CSI估计误差方差的函数，显示出随着误差增大而单调劣化。
• 最优功率分配在功率约束下平衡了对窃听者的干扰泄漏与合法接收端的可靠解码。
• 总保密速率对CSI质量高度敏感，随着估计误差增加，性能出现显著下降。
• 所推导的功率分配策略在CSI不完美条件下实现了最大总保密速率，构成了保密速率区域的边界。
• 数值结果证实，即使在CSI不完美时，人工干扰仍能有效提升保密性能。