Published November 1, 2013 | Version v1
Publication Metadata-only

Secure Beamforming via Amplify-and-Forward Relays in Machine-to-Machine Communications

Creators

  • 1. Peking University
  • 2. Beihang University

Description

We consider the collaborative use of amplify-and-forward relays to form a beamforming system and provide physical layer security for a wireless machine-to-machine (M2M) communication network. We investigate two objectives: (i) the achievable secrecy rate maximization subject to the relay power constraint and (ii) the relay transmit power minimization under a secrecy rate constraint. For the first objective, we propose a secrecy rate maximization (SRM) beamforming scheme. The secrecy rate maximization problem can be formed into a two-level optimization problem and we solve it using semidefinite relaxation (SDR) techniques. To reduce the complexity of the SRM beamforming scheme, a virtual eavesdropper-based SRM (VE-SRM) beamforming scheme is proposed, in which we hypothesize a virtual eavesdropper instead of all eavesdroppers and maximize the secrecy rate according to the virtual eavesdropper. In addition, for the second objective, we design a relay power minimization (RPM) beamforming scheme, in which an iterative algorithm combining the SDR technology and the gradient-based method is devised by studying the convexity of the RPM problem. By relaxing the constraints of the RPM beamforming scheme, we propose a virtual eavesdropper-based RPM (VERPM) beamforming scheme, which reduces the multivariate RPM problem to a problem of a single variable, and thus an analytical solution is obtained. Our proposed beamforming designs can work well even if the number of eavesdroppers is larger than that of relays, while the existing schemes, for example, the null-space beamforming schemes, cannot work under this condition. Simulation results are presented to demonstrate the significance of performance improvements with the SRM and RPM beamforming schemes. It is also shown that the virtual eavesdropper approaches significantly reduce the complexity with acceptable performance degradation.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نحن نعتبر الاستخدام التعاوني لمرحلات التضخيم والتوجيه لتشكيل نظام تشكيل الحزم وتوفير أمان الطبقة المادية لشبكة اتصال لاسلكية من آلة إلى آلة (M2M). نحن نحقق في هدفين: (1) تعظيم معدل السرية القابل للتحقيق وفقًا لقيود طاقة المرحل و (2) تقليل طاقة إرسال المرحل إلى الحد الأدنى بموجب قيود معدل السرية. بالنسبة للهدف الأول، نقترح مخططًا لتشكيل الحزمة لتعظيم معدل السرية (SRM). يمكن تشكيل مشكلة تعظيم معدل السرية إلى مشكلة تحسين من مستويين ونحلها باستخدام تقنيات الاسترخاء شبه النهائي (SDR). لتقليل تعقيد مخطط تشكيل شعاع SRM، يُقترح مخطط تشكيل شعاع SRM افتراضي قائم على التنصت (VE - SRM)، حيث نفترض وجود متنصت افتراضي بدلاً من جميع المتنصتون ونزيد معدل السرية إلى أقصى حد وفقًا للمتنصت الافتراضي. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للهدف الثاني، نقوم بتصميم مخطط لتشكيل الحزم بتقليل طاقة الترحيل (RPM)، حيث يتم تصميم خوارزمية تكرارية تجمع بين تقنية حقوق السحب الخاصة والطريقة القائمة على التدرج من خلال دراسة التحدب لمشكلة RPM. من خلال تخفيف قيود مخطط تشكيل الحزمة RPM، نقترح مخططًا افتراضيًا لتشكيل الحزمة RPM (VERPM)، مما يقلل من مشكلة RPM متعددة المتغيرات إلى مشكلة متغير واحد، وبالتالي يتم الحصول على حل تحليلي. يمكن أن تعمل تصميماتنا المقترحة لتشكيل الحزمة بشكل جيد حتى لو كان عدد المسترقين أكبر من عدد المرحلات، في حين أن المخططات الحالية، على سبيل المثال، مخططات تشكيل الحزمة الفراغية، لا يمكن أن تعمل في ظل هذه الحالة. يتم عرض نتائج المحاكاة لإثبات أهمية تحسينات الأداء مع مخططات تشكيل شعاع SRM و RPM. كما تبين أن نهج التنصت الافتراضي يقلل بشكل كبير من التعقيد مع تدهور الأداء المقبول.

Translated Description (French)

Nous envisageons l'utilisation collaborative de relais d'amplification et de transmission pour former un système de formation de faisceaux et fournir une sécurité de couche physique pour un réseau de communication sans fil de machine à machine (M2M). Nous étudions deux objectifs : (i) la maximisation du taux de secret réalisable sous la contrainte de puissance du relais et (ii) la minimisation de la puissance d'émission du relais sous une contrainte de taux de secret. Pour le premier objectif, nous proposons un schéma de formation de faisceaux de maximisation du taux de secret (SRM). Le problème de maximisation du taux de secret peut être transformé en un problème d'optimisation à deux niveaux et nous le résolvons en utilisant des techniques de relaxation semi-finie (SDR). Pour réduire la complexité du schéma de formation de faisceaux SRM, un schéma de formation de faisceaux SRM à base d'espions virtuels (VE-SRM) est proposé, dans lequel nous émettons l'hypothèse d'un espion virtuel au lieu de tous les espions et maximisons le taux de secret en fonction de l'espion virtuel. De plus, pour le deuxième objectif, nous concevons un schéma de formation de faisceaux de minimisation de puissance de relais (RPM), dans lequel un algorithme itératif combinant la technologie SDR et la méthode basée sur le gradient est conçu en étudiant la convexité du problème RPM. En assouplissant les contraintes du schéma de formation de faisceaux RPM, nous proposons un schéma de formation de faisceaux RPM basé sur l'écoute virtuelle (VERPM), qui réduit le problème du RPM multivarié à un problème d'une seule variable, et ainsi une solution analytique est obtenue. Nos conceptions de formation de faisceaux proposées peuvent bien fonctionner même si le nombre d'espions est supérieur à celui des relais, alors que les schémas existants, par exemple, les schémas de formation de faisceaux dans l'espace nul, ne peuvent pas fonctionner dans cette condition. Les résultats de simulation sont présentés pour démontrer l'importance des améliorations de performance avec les schémas de formation de faisceaux SRM et RPM. Il est également démontré que les approches d'écoute virtuelle réduisent considérablement la complexité avec une dégradation des performances acceptable.

Translated Description (Spanish)

Consideramos el uso colaborativo de relés de amplificación y reenvío para formar un sistema de formación de haces y proporcionar seguridad de capa física para una red de comunicación inalámbrica de máquina a máquina (M2M). Investigamos dos objetivos: (i) la maximización de la tasa de secreto alcanzable sujeta a la restricción de potencia del relé y (ii) la minimización de la potencia de transmisión del relé bajo una restricción de la tasa de secreto. Para el primer objetivo, proponemos un esquema de formación de haz de maximización de la tasa de secreto (SRM). El problema de maximización de la tasa de secretismo se puede convertir en un problema de optimización de dos niveles y lo resolvemos utilizando técnicas de relajación semidefinida (SDR). Para reducir la complejidad del esquema de formación de haces SRM, se propone un esquema de formación de haces SRM virtual basado en espía (VE-SRM), en el que planteamos la hipótesis de un espía virtual en lugar de todos los espías y maximizamos la tasa de secreto de acuerdo con el espía virtual. Además, para el segundo objetivo, diseñamos un esquema de formación de haz de minimización de potencia de relé (RPM), en el que se diseña un algoritmo iterativo que combina la tecnología SDR y el método basado en gradiente mediante el estudio de la convexidad del problema RPM. Al relajar las restricciones del esquema de formación de haces RPM, proponemos un esquema de formación de haces RPM basado en escuchas virtuales (VERPM), que reduce el problema de RPM multivariante a un problema de una sola variable y, por lo tanto, se obtiene una solución analítica. Nuestros diseños de formación de haces propuestos pueden funcionar bien incluso si el número de espías es mayor que el de relés, mientras que los esquemas existentes, por ejemplo, los esquemas de formación de haces de espacio nulo, no pueden funcionar bajo esta condición. Los resultados de la simulación se presentan para demostrar la importancia de las mejoras de rendimiento con los esquemas de formación de haces SRM y RPM. También se muestra que los enfoques de escucha virtual reducen significativamente la complejidad con una degradación aceptable del rendimiento.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تشكيل الشعاع الآمن عبر مرحلات التضخيم والأمام في الاتصالات من آلة إلى آلة
Translated title (French)
Formage de faisceau sécurisé via des relais d'amplification et de transmission dans les communications de machine à machine
Translated title (Spanish)
Conformación de haz segura a través de relés de amplificación y reenvío en comunicaciones de máquina a máquina

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2109151432
DOI
10.1155/2013/728532

Is supplement to
https://openalex.org/W4315783257 (Other)
https://openalex.org/W4286569445 (Other)
https://openalex.org/W3019210376 (Other)
https://openalex.org/W2952514781 (Other)
https://openalex.org/W2539674285 (Other)
https://openalex.org/W2391145594 (Other)
https://openalex.org/W2326572623 (Other)
https://openalex.org/W2047743558 (Other)
https://openalex.org/W1998322187 (Other)
https://openalex.org/W1038122923 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1984540590
  • https://openalex.org/W1986090422
  • https://openalex.org/W1996215314
  • https://openalex.org/W1996575253
  • https://openalex.org/W2043769961
  • https://openalex.org/W2061944556
  • https://openalex.org/W2080693943
  • https://openalex.org/W2111398884
  • https://openalex.org/W2113741278
  • https://openalex.org/W2115048965
  • https://openalex.org/W2115613211
  • https://openalex.org/W2115843455
  • https://openalex.org/W2128153585
  • https://openalex.org/W2129477191
  • https://openalex.org/W2133406100
  • https://openalex.org/W2135585435
  • https://openalex.org/W2150441567
  • https://openalex.org/W2159687282
  • https://openalex.org/W2165581875
  • https://openalex.org/W2170733622
  • https://openalex.org/W2171006634
  • https://openalex.org/W2172233962
  • https://openalex.org/W2542429611
  • https://openalex.org/W4250589301
  • https://openalex.org/W87496662