[论文解读] The Sound and the Fury: Hiding Communications in Noisy Wireless Networks with Interference Uncertainty

Zhihong Liu, Jiajia Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在噪声无线网络中的隐蔽通信方案，其中干扰不确定性增强了Alice向Bob秘密传输的能力。通过利用其他发射机带来的不可预测干扰，Alice在$n$次信道使用中实现了$ olimits\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$比特的可靠隐蔽传输，尽管速率较低，但由于在密集动态网络中可检测性降低，其空间吞吐量优于传统的平方根定律。

ABSTRACT

Covert communication can prevent the adversary from knowing that a wireless transmission has occurred. In the additive white Gaussian noise channels, a square root law is obtained and the result shows that Alice can reliably and covertly transmit $\mathcal{O}(\sqrt{n})$ bits to Bob in $n$ channel uses. If additional "friendly" node near the adversary can inject artificial noise to aid Alice in hiding her transmission attempt, covert throughput can be improved, i.e., Alice can covertly transmit $\mathcal{O}(\min\{n,λ^{α/2}\sqrt{n}\})$ bits to Bob over $n$ uses of the channel ($λ$ is the density of friendly nodes and $α$ is the path loss exponent of wireless channels). In this paper, we consider the covert communication in a noisy wireless network, where Bob and the adversary Willie not only experience the background noise, but also the aggregated interference from other transmitters. Our results show that uncertainty in interference experienced by Willie is beneficial to Alice. When the distance between Alice and Willie $d_{a,w}=ω(n^{δ/4})$ ($δ=2/α$ is stability exponent), Alice can reliably and covertly transmit $\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$ bits to Bob in $n$ channel uses. Although the covert throughput is lower than the square root law and the friendly jamming scheme, the spatial throughput is higher. From the network perspective, the communications are hidden in "the sound and the fury" of noisy wireless networks, and what Willie sees is merely a "shadow" wireless network. He knows for certain that some nodes are transmitting, but he cannot catch anyone red-handed.

研究动机与目标

• 解决在传统噪声基隐蔽性不足的无线网络中检测隐蔽传输的挑战。
• 研究信道监视者（Willie）所经历的干扰不确定性是否能提升隐蔽通信性能。
• 分析在干扰受限的无线网络中，隐蔽吞吐量与空间效率之间的权衡。
• 证明网络级干扰动态可作为隐蔽传输的天然掩护。

提出的方法

• 使用随机几何模型对无线网络进行建模，其中发射机按泊松点过程分布。
• 分析在干扰不确定性下Willie的检测性能，其中聚合干扰功率是随机且不可预测的。
• 通过限制Willie的能量检测器超过其检测阈值的概率，推导隐蔽吞吐量。
• 使用稳定性指数$\delta = 2/\alpha$（其中$\alpha$为路径损耗指数）来表征检测误差的缩放特性。
• 将平方根定律作为基准，比较在干扰不确定性下的性能表现。
• 评估慢速启动/慢速停止等传输调度策略以及最优时隙分配，以最小化检测概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 无线网络中的干扰不确定性是否能提升通信的可靠性和隐蔽性？
• RQ2 发射机的空间分布如何影响Willie检测Alice传输的能力？
• RQ3 当干扰不可预测但存在时，隐蔽吞吐量的根本极限是什么？
• RQ4 与背景噪声不确定性或友好干扰相比，干扰不确定性在空间吞吐量方面表现如何？

主要发现

• 当距离$d_{a,w} = \omega(n^{\delta/4})$且存在干扰不确定性时，Alice可可靠且隐蔽地在$n$次信道使用中向Bob传输$ olimits\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$比特。
• 在干扰不确定性下的隐蔽吞吐量低于平方根定律（$ olimits\mathcal{O}(\sqrt{n})$）和友好干扰（$ olimits\mathcal{O}(\min\{n, \lambda^{\alpha/2}\sqrt{n}\})$），但随着$n \to \infty$，其空间吞吐量更高。
• 干扰不确定性显著降低了Willie的检测能力，使其难以在噪声与信号之间进行区分，尤其是在多个发射机同时活跃时。
• 采用慢速启动和慢速停止传输调度可降低检测概率，通过在转换阶段最小化Willie样本中的信噪比。
• 当Willie由于移动性或网络复杂性无法确定最近的发射机时，检测将变得不可靠，从而增强隐蔽性。
• 网络表现为一种“阴影”无线环境：传输隐藏在噪声和干扰之中，若无对所有信源的精确知识，检测几乎不可能。