毫米波 + Bob发送干扰信号 + 隐蔽通信

Joint Analog Beamforming and Jamming Optimization for Covert Millimeter Wave Communications 阅读笔记

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Abstract

本文研究隐蔽毫米波 (mmWave) 通信，其中多天线发射器 (Alice) 在典狱长 (Willie) 在场的情况下秘密地向全双工接收器 (Bob) 发送信息信号。为了覆盖 Alice 的通信，**Bob 在全双工模式下工作，产生不同时隙发射功率不同的干扰信号。**假设威利采用辐射计作为检测器，我们首先推导出威利的最佳检测阈值。接下来，我们联合设计 Alice 的模拟波束成形和 Bob 的模拟干扰，以最大化隐蔽率，同时考虑到 Willie 的最佳检测的使用和 Bob 经历的通信中断概率。尽管联合设计是非凸的，直接求解具有挑战性，但开发了基于逐次凸逼近算法的算法来解决设计问题。与一些基线方案相比，仿真结果验证了所提出算法的效率。

introduction

随着无线通信的应用日益广泛，安全通信变得越来越重要，物联网（IoT）的推出已经涉及到我们生活的各个方面[1]-[3]。大多数现有的安全传输技术侧重于保护内容免遭窃听，例如密码学和物理层安全（PLS）[4]。然而，随着新应用的出现，保护信息内容还远远不够[5]。例如，成功检测来自植入式医疗设备的信号传输可能会泄露用户的疾病和位置，这会导致安全和隐私问题。在此背景下，隐蔽通信保护任何主动通信本身免受警惕的对手的攻击，从而提供了高级别的安全性，因为对手不知道信号传输，并且不会执行进一步的信息处理来窃听所需的信息。

最近，秘密通信引起了人们的广泛关注。例如，[6]中的工作证明，人们最多可以通过加性高斯白噪声（AWGN）通道中的 n 个通道秘密发送 O(√n) 位信息。这种悲观的结果表明，每个通道使用的隐蔽率渐近趋于零，因为 ${\lim }_{n\to +\infty }\frac{\mathcal{O}(\sqrt{n})}{n}=0$幸运的是，以下研究表明，当对手具有各种不确定性时，仍然可以获得正的隐蔽率接收噪声功率[7]、衰落信道[8]和外部干扰[9]、[10]等。然而，大多数现有的隐蔽通信工作仅研究单天线情况[6]– [10]，并且很少考虑多天线辅助隐蔽通信的应用。特别是，多天线技术提供了额外的空间自由度（DoF），可用于设计机密信息波束成形和干扰波束成形，以提高通信的隐蔽性。尽管[11]中的工作考虑了多天线隐蔽通信，但采用了固定波束成形方案来促进可实现的隐蔽率分析，这可能导致性能不令人满意。另一方面，频谱紧缩问题仍然是系统性能的瓶颈。因此，毫米波（mmWave）通信被认为是该问题的可行解决方案，因为它通过联合利用巨大的空闲频谱和大规模天线阵列，在提高用户吞吐量和增强通信 PLS 方面具有巨大潜力[12 ]。然而，关于毫米波通信在提高通信隐蔽性方面的潜力的研究却很少。

在本文中，我们研究了多天线隐蔽毫米波通信，其中多天线发射器（Alice）将机密信息信号秘密地传输到其预期接收器（Bob）。 Bob 以全双工模式运行，生成干扰信号以覆盖源自 Alice 的通信。我们联合优化 Alice 和 Bob 的波束形成器，以在隐蔽性要求和 Bob 经历的通信中断的情况下最大化隐蔽率。

CSI的已知性及其原因

For the channel state information (CSI) of the self-interference channel, we assume that Alice can obtain the CSI of the LOS term ${\mathbf{f}}_{\mathrm{LOS}}$ via feedback from Bob, since it is determined by the relative position of the transmit array and receive antenna at Bob. Yet, only the CSI statistics of the NLOS term ${\mathbf{f}}_{\mathrm{NLOS}}$ is available at Alice. Also, by exploiting the channel reciprocity, we adopt the reverse channel training, where Bob emits pilots periodically to enable the CSI estimation of the Alice-to-Bob link at Alice from the pilots. Also, from the pilots, Willie can also obtain the instantaneous CSI of the Bob-to-Willie link, but not the instantaneous CSI of the Alice-to-Willie link, since Alice keeps silence during the channel training. Willie is assumed to obtain the statistical CSI of the Alice-to-Willie link. Since Willie is a passive warden, its instantaneous CSI is difficult to get. As an alternative, similar to [9], [10], we assume that only the statistical CSI of the Alice-to-Willie link and Bob-to-Willie link is available at Alice.

对于自干扰信道的信道状态信息（CSI），我们假设Alice可以通过Bob的反馈获得LOS项fLOS的CSI，因为它是由Bob处的发射阵列和接收天线的相对位置决定的。然而，Alice 只知道NLOS 术语 fNLOS 的 CSI 统计数据。此外，通过利用信道互易性，我们采用反向信道训练，其中 Bob 定期发射导频，以便能够根据导频对 Alice 处的 Alice 到 Bob 链路进行 CSI 估计。另外，Willie还可以从导频获得Bob到Willie链路的瞬时CSI，但不能获得Alice到Willie链路的瞬时CSI，因为Alice在信道训练期间保持沉默。假设 Willie 获得了 Alice 到 Willie 链路的统计 CSI。由于威利是一名被动典狱长，其瞬时CSI很难获得。作为替代方案，类似于[9]、[10]，我们假设只有Alice-to-Willie 链路和Bob-to-Willie 链路的统计CSI 在Alice 处可用。