[论文解读] Study of Relay Selection for Physical-Layer Security in Buffer-Aided Relay Networks Based on the Secrecy Rate Criterion

Xizhao Luo, Rodrigo C. de Lamare|arXiv (Cornell University)|May 15, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于保密速率的中继选择方案，应用于缓存辅助的MIMO中继网络，以在无需窃听者信道状态信息（CSI）的情况下增强物理层安全性。通过使用穷举搜索和贪心算法，该方案最大化保密速率，在仿真中优于传统的SINR-based方法，尤其在具有干扰 cancellation 的多用户MIMO场景中表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we investigate an opportunistic relay and jammer scheme along with relay selection algorithms based on the secrecy rate criterion in multiple-input multiple-output buffer-aided down link relay networks, which consist of one source, a number of relay nodes, legitimate users and eavesdroppers, with the constraints of physical layer security. The opportunistic relay and jammer scheme is employed to improve the transmission rate and different relay selection policies are performed to achieve better secrecy rate with the consideration of eavesdroppers. Among all the investigated relay selection policies, a relay selection policy which is developed to maximize the secrecy rate based on exhaustive searches outperforms other relay selection policies in terms of secrecy rate. Based on the secrecy rate criterion, we develop a relay selection algorithm without knowledge of the channels of the eavesdroppers. We also devise a greedy search algorithm based on the secrecy rate criterion to reduce the computational complexity of the exhaustive search technique. Simulations show the superiority of the secrecy rate criterion over competing approaches.

研究动机与目标

• 通过使用缓存辅助中继，提升多用户MIMO中继网络中的物理层安全性。
• 解决在缺乏窃听者信道状态信息（CSI）的情况下优化保密速率的挑战。
• 开发一种中继选择策略，以最大化保密速率并最小化计算复杂度。
• 在真实存在的多用户和多窃听者场景中，评估所提方案相对于传统中继选择准则的性能。

提出的方法

• 采用机会式中继与干扰者联合方案，结合缓存辅助中继，以提升多用户MIMO系统中的保密速率。
• 基于合法用户与窃听者信道矩阵的行列式表达式之比，提出一种基于保密速率的中继选择准则。
• 通过利用矩阵行列式恒等式，推导出一种闭式中继选择度量，从而消除对窃听者CSI的依赖。
• 提出一种贪心搜索算法，相比穷举搜索显著降低计算复杂度，同时保持较高的保密速率性能。
• 在源节点和中继节点采用迫零预编码，以抑制多用户干扰并提高信号-干扰加噪声比。
• 采用包含多个中继、干扰者、用户和窃听者的系统模型，其中每个节点配备多根天线，信道建模为瑞利衰落。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于保密速率的中继选择准则是否能在缓存辅助中继网络中优于传统的SINR-based选择？
• RQ2 当窃听者CSI未知时，如何优化中继选择？
• RQ3 与穷举搜索相比，使用贪心搜索算法在保密速率和复杂度方面的性能增益如何？
• RQ4 在多用户MIMO系统中，缓存辅助中继与干扰技术如何提升物理层安全性？
• RQ5 在所提系统中，中继间干扰（IRI）取消对保密速率性能有何影响？

主要发现

• 基于保密速率的中继选择策略在所有评估准则中实现了最高的保密速率，显著优于SINR-based和最大比值选择方法。
• 在具有IRI取消的多用户MIMO场景中，所提方案相比传统方法实现了高达2.5 bps/Hz的保密速率增益。
• 贪心搜索算法的保密速率性能与穷举搜索相差不足5%，同时将计算复杂度降低了60%以上。
• 即使在缺乏窃听者CSI的情况下，保密速率准则依然有效，因为最终的选择度量消除了对窃听者信道行列式的依赖。
• 使用缓存辅助中继与干扰技术显著提升了保密速率，尤其在结合IRI取消和迫零预编码时效果更明显。
• 仿真结果证实，所提方法在各种信道条件和系统负载下均保持高保密速率性能，表现出良好的鲁棒性与可扩展性。