[论文解读] Secure Communication in Stochastic Wireless Networks

Pedro Pintó, João Barros+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Wireless Communication Security Techniques参考文献 41被引用 15

一句话总结

本文提出固有安全通信图（iS-graph）以在大规模随机无线网络中建模信息论安全机制，其中合法节点与窃听者随机分布。利用随机几何方法，分析了在不同传播条件下网络的局部连通性、节点度数及保密容量，结果表明窃听者密度是限制安全连通性的关键因素，而扇形传输或窃听者中和策略可显著提升安全性。

ABSTRACT

Information-theoretic security -- widely accepted as the strictest notion of security -- relies on channel coding techniques that exploit the inherent randomness of the propagation channels to significantly strengthen the security of digital communications systems. Motivated by recent developments in the field, this paper aims at a characterization of the fundamental secrecy limits of wireless networks. Based on a general model in which legitimate nodes and potential eavesdroppers are randomly scattered in space, the intrinsically secure communications graph (iS-graph) is defined from the point of view of information-theoretic security. Conclusive results are provided for the local connectivity of the Poisson iS-graph, in terms of node degrees and isolation probabilities. It is shown how the secure connectivity of the network varies with the wireless propagation effects, the secrecy rate threshold of each link, and the noise powers of legitimate nodes and eavesdroppers. Sectorized transmission and eavesdropper neutralization are explored as viable strategies for improving the secure connectivity. Lastly, the maximum secrecy rate between a node and each of its neighbours is characterized, and the case of colluding eavesdroppers is studied. The results help clarify how the spatial density of eavesdroppers can compromise the intrinsic security of wireless networks.

研究动机与目标

• 建立并分析大规模无线网络中节点位置随机分布时的基本保密极限。
• 基于信息论安全原理，定义并表征固有安全通信图（iS-graph）。
• 量化无线传播效应、保密速率阈值及噪声功率对安全网络连通性的影响。
• 评估扇形传输与窃听者中和等策略在提升安全连通性方面的效果。
• 研究节点间最大保密速率及其与合谋窃听者对网络安全影响。

提出的方法

• 采用泊松点过程对合法节点与窃听者进行建模，支持随机几何分析。
• 将iS-graph定义为有向图，仅当某链路的保密速率超过阈值时，才存在有向边。
• 利用Slivnyak定理与Palm测度计算随机节点与窃听者位置下的入度与出度分布。
• 应用Mellin变换与稳定分布性质，推导链路干扰范围内窃听者数量的期望值。
• 通过Fubini定理与Jensen不等式推导中断概率与保密容量表达式，用于面积期望计算。
• 通过建模合谋窃听者的联合信道增益，并与非合谋情况对比，评估合谋窃听者的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 窃听者的空间分布如何影响固有安全无线网络中的局部连通性与节点度数？
• RQ2 在窃听者随机部署条件下，节点与其邻居之间可实现的最大保密速率是多少？
• RQ3 无线传播路径损耗与噪声功率如何影响安全通信链路的概率？
• RQ4 扇形传输或窃听者中和是否能显著提升随机网络中的安全连通性？
• RQ5 与非合谋窃听者相比，合谋窃听者的存在如何降低最大保密速率？

主要发现

• 泊松iS图的局部连通性通过入度与出度分布的显式表达式得以刻画，表明窃听者密度会降低安全连通性。
• 链路干扰范围内窃听者数量的期望值与合法节点与窃听者密度之比成正比，且受路径损耗指数的sinc函数调制。
• 通过创建无干扰区域实现的窃听者中和，可显著提升安全通信链路的概率。
• 扇形传输可减小窃听者有效探测区域，从而提高可实现的保密速率阈值。
• 节点与其邻居之间的最大保密速率受窃听者空间分布的限制，其中合谋窃听者构成比独立窃听者更大的威胁。
• 推导出最大保密速率的中断概率，并表明其依赖于路径损耗指数与节点密度，路径损耗指数越高，保密性越强。