[论文解读] Secure Communications in Millimeter Wave Ad Hoc Networks

Yongxu Zhu, Lifeng Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 43被引用 6

一句话总结

本文研究了在毫米波（mmWave）自组织网络中，利用波束成形和随机几何的物理层安全问题。推导了在随机窃听者位置下的平均可实现保密速率的可计算表达式，表明低频段mmWave和增加的发射阵列能增强保密性，而由于波束成形增益差异，人工噪声无效。

ABSTRACT

Wireless networks with directional antennas, like millimeter wave (mmWave) networks, have enhanced security. For a large-scale mmWave ad hoc network in which eavesdroppers are randomly located, however, eavesdroppers can still intercept the confidential messages, since they may reside in the signal beam. This paper explores the potential of physical layer security in mmWave ad hoc networks. Specifically, we characterize the impact of mmWave channel characteristics, random blockages, and antenna gains on the secrecy performance. For the special case of uniform linear array (ULA), a tractable approach is proposed to evaluate the average achievable secrecy rate. We also characterize the impact of artificial noise in such networks. Our results reveal that in the low transmit powerregime, the use of low mmWave frequency achieves better secrecy performance, and when increasing transmit power, a transition from low mmWave frequency to high mmWave frequency is demanded for obtaining a higher secrecy rate. More antennas at the transmitting nodes are needed to decrease the antenna gain obtained by the eavesdroppers when using ULA. Eavesdroppers can intercept more information by using a wide beam pattern. Furthermore, the use of artificial noise may be ineffective for enhancing the secrecy rate.

研究动机与目标

• 分析大规模自组织网络中mmWave信道特性、随机遮挡以及阵列增益对保密性能的影响。
• 评估在定向传输和波束成形条件下，人工噪声在提升保密速率方面的有效性。
• 推导基于均匀线性阵列（ULA）的mmWave网络中平均可实现保密速率的可计算表达式。
• 研究发射功率、频段（低频与高频mmWave）与保密性能之间的权衡。
• 确定在窃听威胁下，能最大化保密速率的最优系统参数，如阵列增益和波束宽度。

提出的方法

• 将合法发射机和窃听者建模为二维平面上的泊松点过程（PPP），采用均匀线性阵列（ULAs）进行定向波束成形。
• 利用随机几何和坎贝尔定理，计算来自干扰源和窃听者的平均干扰功率，同时考虑视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）传播路径。
• 基于合法接收机和窃听者处的信干噪比（SINR），使用指数积分和拉普拉斯变换技术推导平均可实现保密速率。
• 采用基于距离的LoS/NLoS转换阈值距离 $ d $ 的路径损耗模型，并对路径损耗指数 $ eta_{\text{LoS}} $ 和 $ eta_{\text{NLoS}} $ 进行建模。
• 应用稀释定理，将窃听者分离为LoS和NLoS点过程，分别具有密度 $ ho_{\text{LoS}} $ 和 $ ho_{\text{NLoS}} $，从而实现对SINR的独立分析。
• 通过拉普拉斯函数和全概率定律推导窃听者SINR的累积分布函数（CDF），进而评估保密中断概率和保密速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在随机窃听者分布下，mmWave自组织网络中定向波束成形的使用如何影响保密速率？
• RQ2 mmWave频段（低频与高频）对保密性能有何影响，特别是在低功率和高功率发射场景下？
• RQ3 发射端的阵列增益和波束宽度如何通过影响窃听者接收信号功率来影响保密速率？
• RQ4 人工噪声在多大程度上可用于降低窃听者接收质量？在何种条件下其效果无效？
• RQ5 在mmWave自组织网络中，如何配置发射功率、阵列尺寸和频段以最大化平均可实现保密速率？

主要发现

• 在低发射功率场景下，较低的mmWave频段（如28 GHz）由于路径损耗更低且合法接收端波束成形增益更高，能实现更好的保密性能。
• 随着发射功率增加，需转向更高频段的mmWave（如60 GHz），以维持或提升保密速率，原因在于更高的方向性和更少的干扰泄漏。
• 发射端更多天线可降低窃听者处的阵列增益，从而提升保密速率，尤其在使用均匀线性阵列（ULAs）时效果显著。
• 具有宽波束模式的窃听者能拦截更多信号，因其能捕获主波束中更多能量，从而降低定向传输的有效性。
• 人工噪声被发现无法有效提升保密速率，原因在于mmWave波束的高方向性限制了人工噪声的空间扩散，使窃听者仍能解码信号。
• 所推导的平均可实现保密速率表达式具有可计算性，并通过随机几何方法验证，可支持mmWave自组织网络在安全方面的系统级优化。