[论文解读] Sum Secrecy Rate in Full-Duplex Wiretap Channel with Imperfect CSI

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

Wireless Communication Security Techniques参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文研究了在存在非完美信道状态信息（CSI）的单天线用户与窃听者参与下的全双工窃密信道中的和保密速率。通过联合优化信息信号与人工干扰信号的功率，该文提出了一个半定规划（SDP）问题以最大化和保密速率，表明CSI误差会降低可实现的保密速率区域，且随着误差界限增大，系统性能下降。

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

• 表征在非完美CSI下的全双工双向窃密信道中可实现的和保密速率区域。
• 在个体功率约束下，优化信息信号与人工干扰信号的发射功率，以最大化保密速率。
• 分析有界CSI误差对保密速率区域与系统性能的影响。
• 推导出一种半定规划（SDP）形式，以在CSI不确定性下确保完美保密。

提出的方法

• 构建一个全双工双用户窃密信道，其中发射机、接收机和窃听者均采用单天线。
• 在两个发射机处引入人工干扰信号，以恶化窃听者的信道质量并增强保密性。
• 将CSI误差建模为围绕估计信道增益的有界绝对偏差，误差界限记为ε。
• 推导出一个半定规划（SDP）问题，以在完美保密约束下最大化和保密速率。
• 利用S-lemma与Schur补引理，将概率约束转化为凸SDP约束，以实现可处理的优化。
• 采用二分搜索法求解所得SDP问题，以确定最小可行保密速率阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 非完美CSI如何影响全双工双向窃密信道中可实现的和保密速率区域？
• RQ2 在功率约束与CSI不确定性下，信息信号与干扰信号的最优功率分配策略为何种，可使和保密速率最大化？
• RQ3 合法链路与窃听链路中CSI误差的有界性如何影响保密速率性能？
• RQ4 半定规划能否有效用于在非完美CSI下计算保密速率区域，并保证完美保密？

主要发现

• 随着CSI误差幅度的增加，可实现的保密速率区域缩小，表明信道不确定性直接导致性能下降。
• 将发射功率从3 dB提高到6 dB可使可实现的保密速率区域更大，证实了在非完美CSI下提高功率的增益。
• 所提出的基于SDP的优化框架成功计算出在完美保密约束下信息信号与干扰信号的最优功率分配。
• 数值结果表明，即使存在微小的CSI误差（例如ε = 0.04），也会显著降低和保密速率，凸显保密性能对CSI精度的高度敏感性。
• 保密速率区域由通过SDP问题二分搜索获得的最小可行保密速率阈值所界定。
• 人工干扰信号的使用通过恶化窃听者的信道质量提升了保密性，尤其在非完美CSI条件下效果更显著。