[论文解读] Secure Transmission on the Two-hop Relay Channel with Scaled Compute-and-Forward

Zhijie Ren, Jasper Goseling+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出两种新颖的可靠传输方案，用于在存在不可信中继的两跳中继信道中实现安全通信，采用缩放计算转发（scaled compute-and-forward）技术，结合随机分组编码与格链码，以实现保密性。在高信噪比（SNR）或中继功率受限的场景下，两种方案均达到保密速率上界，与无保密约束下的容量相比，差距不超过0.5比特/信道使用。

ABSTRACT

In this paper, we consider communication on a two-hop channel, in which a source wants to send information reliably and securely to the destination via a relay. We consider both the untrusted relay case and the external eavesdropper case. In the untrusted relay case, the relay behaves as an eavesdropper and there is a cooperative node which sends a jamming signal to confuse the relay when the it is receiving from the source. We propose two secure transmission schemes using the scaled compute-and-forward technique. One of the schemes is based on a random binning code and the other one is based on a lattice chain code. It is proved that in either the high Signal-to-Noise-Ratio (SNR) scenario and/or the restricted relay power scenario, if the destination is used as the jammer, both schemes outperform all existing schemes and achieve the upper bound. In particular, if the SNR is large and the source, the relay, and the cooperative jammer have identical power and channels, both schemes achieve the upper bound for secrecy rate, which is merely $1/2$ bit per channel use lower than the channel capacity without secrecy constraints. We also prove that one of our schemes achieves a positive secrecy rate in the external eavesdropper case in which the relay is trusted and there exists an external eavesdropper.

研究动机与目标

• 解决在中继不可信且可能窃听源端传输的两跳中继信道中实现安全通信的挑战。
• 克服先前方案在某些信道条件下无法实现正保密速率的局限性。
• 设计新型传输方案，利用带缩放的计算转发框架，实现可靠且安全的通信。
• 在高SNR和中继功率受限场景下实现保密速率上界，优于现有方法。
• 将框架扩展至中继可信但存在外部窃听者的情况，确保正的保密速率。

提出的方法

• 提出一种改进的计算转发技术，称为“缩放计算转发”，以实现中继端对线性组合的可靠解码。
• 在源端使用随机分组编码生成人工噪声，增强对不可信中继的保密性。
• 在源端实施格链码，生成结构化随机性，提升可靠性和安全性。
• 由中继（即目的地）充当协作干扰器，发送干扰信号，使不可信中继混淆，但目的地可已知该信号。
• 在中继端利用格结构进行模运算，保留期望信号的同时抑制窃听。
• 通过基于中继功率约束自适应调整传输速率，并采用大K的块衰落模型，确保长期传输效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为具有不可信中继的两跳中继信道设计一种安全传输方案，使其达到保密速率上界？
• RQ2 在高SNR和低中继功率场景下，所提方案与现有协作干扰和计算转发方案相比性能如何？
• RQ3 当中继可信但存在外部窃听者时，可实现的保密速率是多少？
• RQ4 在信道条件不对称且中继功率受限的情况下，所提方案能否维持正的保密速率？
• RQ5 编码结构的选择（随机分组编码 vs. 格链码）在实现最优保密速率方面起什么作用？

主要发现

• 在高SNR区域且源、中继、目的地功率与信道条件相同时，两种方案均实现保密速率 $ \frac{1}{2}\log_2(1 + \text{SNR}) - \frac{1}{2} $，与计算转发容量相比差距不超过0.5比特/信道使用。
• 所提方案在高SNR和中继功率受限场景下达到保密速率上界，优于所有现有方案。
• 基于随机分组编码的方案在存在外部窃听者（即中继可信但存在外部窃听者）的情况下仍能实现正的保密速率。
• 基于格链码的方案在对称场景下达到相同的上界，表明在理想条件下具备鲁棒性与最优性。
• 两种方案在广泛信道配置下显著提升保密速率，尤其在高SNR区域表现突出。
• 通过使用长时传输块，方案可扩展至低功率中继，即使 $ P_R < P_A $ 也能确保可靠通信。