[论文解读] Wireless Surveillance of Two-Hop Communications

Ganggang Ma, Jie Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Wireless Communication Security TechniquesEngineering参考文献 10被引用 19

一句话总结

本文提出了一种半双工无线监控框架，用于两跳可疑通信，其中合法监控者自适应地在被动窃听、对第一跳的噪声干扰或对第二跳的混合干扰之间选择，以最大化窃听速率。通过联合优化模式选择与干扰功率，该方案显著优于单一模式，尤其在低SINR环境中表现更优。

ABSTRACT

Wireless surveillance is becoming increasingly important to protect the public security by legitimately eavesdropping suspicious wireless communications. This paper studies the wireless surveillance of a two-hop suspicious communication link by a half-duplex legitimate monitor. By exploring the suspicious link's two-hop nature, the monitor can adaptively choose among the following three eavesdropping modes to improve the eavesdropping performance: (I) \emph{passive eavesdropping} to intercept both hops to decode the message collectively, (II) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{noise jamming}} over the first hop, and (III) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{hybrid jamming}} over the second hop. In both proactive eavesdropping modes, the (noise/hybrid) jamming over one hop is for the purpose of reducing the end-to-end communication rate of the suspicious link and accordingly making the interception more easily over the other hop. Under this setup, we maximize the eavesdropping rate at the monitor by jointly optimizing the eavesdropping mode selection as well as the transmit power for noise and hybrid jamming. Numerical results show that the eavesdropping mode selection significantly improves the eavesdropping rate as compared to each individual eavesdropping mode.

研究动机与目标

• 为解决当监控者距离源节点较远时，对两跳可疑通信实施有效窃听的挑战。
• 通过利用主动干扰策略，克服在低信道增益场景下被动窃听的局限性。
• 设计一种半双工监控系统，避免全双工系统中自干扰消除和消息转发带来的硬件复杂性。
• 通过联合优化窃听模式选择与发射功率分配，最大化窃听速率。
• 提供一种实用的监控解决方案，利用可疑链路的多跳特性以提升拦截性能。

提出的方法

• 监控者以半双工模式运行，可自适应选择三种窃听模式：在两跳均进行被动窃听、在第一跳实施噪声干扰，或在第二跳实施混合干扰。
• 对于被动窃听（模式I），监控者使用最大比合并（MRC）技术合并两跳的信号，以提升信号检测性能。
• 对于通过噪声干扰实施的主动窃听（模式II），监控者在第一跳发送人工噪声，以降低Bob的SINR并减少端到端速率。
• 对于通过混合干扰实施的主动窃听（模式III），监控者将从Alice处截获的信号与人工噪声结合后转发，以在Bob处造成相消干扰。
• 系统采用统一的优化框架，联合优化窃听模式选择与干扰功率分配，以最大化窃听速率。
• 通过凸松弛与一阶导数分析求解优化问题，推导出最优功率分配与波束成形系数的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两跳无线监控中，被动窃听与主动窃听的性能相比如何？
• RQ2 在何种条件下，对第一跳的噪声干扰或对第二跳的混合干扰优于被动窃听？
• RQ3 监控者相对于Alice和Bob的位置如何影响最优窃听模式选择？
• RQ4 路径损耗与衰落对两跳监控设置中窃听速率与模式选择的影响是什么？
• RQ5 与固定模式策略相比，联合优化模式选择与干扰功率是否能显著提升窃听性能？

主要发现

• 所提出的窃听模式选择与干扰功率分配的联合优化方案，其窃听速率显著高于任一单一模式。
• 当监控者靠近Alice或中继节点时，若合并信号增益超过端到端可疑链路速率，则被动窃听（模式I）为最优。
• 在被动窃听失效的低SINR场景下，若监控者更靠近Alice，则选择模式II（第一跳噪声干扰）；若更靠近Bob，则选择模式III（第二跳混合干扰）。
• 瑞利衰落信道中的数值结果表明，自适应模式选择方案的平均窃听速率高于固定模式方法，且在10,000次信道实现中性能增益得到验证。
• 最优波束成形系数与干扰功率分配已推导出闭式表达式，可实现高效无迭代的部署。
• 半双工设计消除了对复杂自干扰消除与实时消息转发的需求，使其相比以往的全双工方法更具实用性。