پدافند الکترونیکی و سایبری

پدافند الکترونیکی و سایبری

تحلیل تأثیر نقیصه‌های سخت‌افزاری بر مخابره پنهانِ مبتنی بر اختلال‌گر دوست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار ،پژوهشگاه فناوری اطلاعات و ارتباطات کاربردی،تهران ، ایران
2 استادیار، دانشگاه فناوری های نوین آمل، آمل، ایران
3 استادیار، دانشگاه صنعتی قم ، قم ، ایران
چکیده
وجود نقیصه‌های سخت‌افزاری در سیستم‌های مخابراتی یکی از چالش‌هایی است که می‌تواند عملکرد سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. در بسیاری از مقاله‌های ارائه‌شده، محققین این موضوع را در نظر نمی‌گیرند و از اثر آن‌ها صرف‌نظر می‌کنند؛ درحالی‌که در مواردی مانند امنیت مخابرات، نقش این موارد می‌تواند پررنگ‌تر باشد و چه‌بسا بتوان از آن‌ها به‌عنوان یک ویژگی در جهت ارتقاء امنیت مخابرات بهره‌برداری کرد. در این مقاله، یک پروتکل مخابره پنهان برای یک شبکه شامل یک منبع، یک مقصد و یک گره متخاصم (ناظر) ارائه می‌شود. به‌منظور فریب دادن ناظر، یک اختلال‌گر دوست در شبکه به استخدام گرفته می‌شود تا به‌طور پیوسته سیگنال اختلال ارسال نماید. برای چنین شبکه مخابراتی، یک مسئله بهینه‌سازی باهدف بیشینه کردن نرخ پنهان طراحی می‌گردد. ازآنجایی‌که این مسئله یک مسئله بهینه‌سازی غیر محدب است، برای حل آن از روش Epigraph و DC استفاده نموده و یک الگوریتم تکراری پیشنهاد داده می­شود. نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد که نقیصه سخت‌افزاری فرستنده و گیرنده بیشترین تأثیر را بر نرخ پنهان و نقیصه سخت‌افزاری اختلال­گر نیز کمترین تأثیر را بر نرخ پنهان دارد به صورتی که، وقتی مقدار نقیصه در اختلال‌گر، ناظر، گیرنده و فرستنده را برابر 0.5 در نظر گرفته می­شود نرخ پنهان نسبت به حالتی که هیچ نقیصه­ای در هیچ‌یک از گره­ها وجود ندارد به ترتیب 4.2%، 8%، 62.2% و 62.8% کاهش می­یابد. بر این اساس، طراحی فرستنده و گیرنده با کمترین نقیصه سخت­افزاری نسبت به گره­های دیگر یک امر ضروری بوده و در بهبود عملکرد مخابره پنهان نقش مؤثری خواهد داشت.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis of Impact of Hardware Impairments on Cover Communication Using a Friendly Jammer

نویسندگان English

Mohammadreza Keshavarzi 1
Moslem forouzesh 2
کوهستانی Kuhestani 3
1 Assistant Professor, Communication and Information Technology Research Institute, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Amol University of New Technologies, Amol, Iran
3 Assistant Professor, Qom University of Technology, Qom, Iran
چکیده English

The presence of hardware impairments in communication systems is one of the challenges that can impact system performance. In many presented articles, researchers do not consider this issue and ignore their effects, while in cases such as communication security, their role can be more prominent, and perhaps they can be used as a feature to enhance communication security. In this paper, a covert communication protocol for a network including a source, a destination, and a malicious node (observer) is presented. In order to deceive the observer, a friendly jammer is recruited in the network to continuously send jamming. For such a communication network, an optimization problem is designed with the aim of maximizing the covert rate. Since this problem is a non-convex optimization problem, Epigraph and DC methods are used to solve it, and an iterative algorithm is proposed. Simulation results show that the hardware impairments of the transmitter and receiver have the most significant impact on the covert rate, and the hardware impairments of the jammer also have the least impact on the covert rate, so that when the impairment value of the jammer, observer, receiver and transmitter are considered to be 0.5, the covert rate relatives to the case where there is no impairment in any of the nodes decreases by 4.2%, 8%, 62.2% and 62.8%, respectively. Therefore, designing a transmitter and receiver with the least hardware impairment compared to other nodes is essential and plays a significant role in improving covert communication performance.

کلیدواژه‌ها English

Covert communication
Hardware impairments
Friendly jammer

Smiley face

 

[1] C. E. Shannon, “Communication theory of secrecy systems,” Bell. Syst. Techn. J., vol. 28, no. 4, pp. 656–715, Oct. 1949.
[2] N. Yang, L. Wang, G. Geraci, M. Elkashlan, J. Yuan, and M. D. Renzo, “Safeguarding 5G wireless
communication networks using physical layer security,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 4, pp. 20–27, Apr. 2015.
[3] A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” Bell Syst. Techn. J., vol. 54, no. 8, pp. 1355–1387, Oct. 1975.
[4] A. Khisti and G. Wornell, “Secure transmission with multiple antennas I: The MISOME wiretap channel,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, no. 7, pp. 3088–3104, Jul. 2010.
[5] A. Khisti and G. W. Wornell, “Secure transmission with multiple antennas—Part II: The MIMOME wiretap channel,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, pp. 5515–5532, Nov. 2010.
[6] T. Lv, H. Gao, and S. Yang, “Secrecy transmit beamforming for heterogeneous networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 33, no. 6, pp. 1154–1170, Jun. 2015.
[7] N. Yang, P. L. Yeoh, M. Elkashlan, R. Schober, and I. B. Collings, “Transmit antenna selection for security enhancement in MIMO wiretap channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 1, pp. 144–154, Jan. 2013.
[8] H. Alves, R. D. Souza, M. Debbah, and M. Bennis, “Performance of transmit antenna selection physical layer security schemes,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 19, no. 6, pp. 372–375, Jun. 2012.
[9] H. M. Wang, F. Liu, and M. Yang, “Joint cooperative beamforming, jamming, and power allocation to secure AF relay systems,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 64, no. 10, pp. 4893–4898, Oct. 2015.
[10] T. Lv, Y. Yin, Y. Lu, S. Yang, E. Liu, and G. Clapworthy, “Physical detection of misbehavior in relay systems with unreliable channel state information,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 36, no. 7, pp. 1517–1530, Jul. 2018.
[11] M. Ragheb, S. M. S. Hemami, A. Kuhestani, D. W. K. Ng and L. Hanzo, “On the Physical Layer Security of Untrusted Millimeter Wave Relaying Networks: A Stochastic Geometry Approach,” IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 17, pp. 53-68, 2022.
[12] M. Letafati, A. Kuhestani, and H. Behroozi, “Three-hop untrusted relay networks with hardware imperfections and channel estimation errors for Internet of Things,” IEEE Trans. Inf. Forensics Security, vol. 15, pp. 2856–2868, 2020.
[13] Z. Liu, J. Liu, Y. Zeng, and J. Ma, “Covert wireless communication in IoT network: From AWGN channel to THz band,” IEEE Internet Things J., vol. 7, pp. 3378–3388, 2020.
[14] Z. Liu, J. Liu, Y. Zeng, and J. Ma, “Covert wireless communications in IoT: Hiding information in interference,” IEEE Wireless Commun., vol. 25, pp. 46–52, 2018.
[15] H. Wang, Y. Zhang, X. Zhang, and Z. Li, “Secrecy and covert communications against UAV surveillance via multi-hop networks,” IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 1, pp. 389–401, Jan. 2020.
[16] X. Zhou, S. Yan, J. Hu, J. Sun, J. Li, and F. Shu, “Joint optimization of a UAV’s trajectory and transmit power for covert communications,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 67, no. 16, pp. 4276–4290, Aug. 2019.
[17] J. Wang, W. Tang, Q. Zhu, X. Li, H. Rao, and S. Li, “Covert communication with the help of relay and channel uncertainty,” IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 8, no. 1, pp. 317–320, Feb. 2019.
[18] M. Forouzesh, P. Azmi, A. Kuhestani, and P. L. Yeoh, “Covert communication and secure transmission over untrusted relaying networks in the presence of multiple wardens,” IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 6, pp. 3737–3749, Jun. 2020.
[19] C. Studer, M. Wenk, and A. Burg, “MIMO transmission with residual transmit-RF impairments,” Smart Antennas (WSA), 2010 International ITG Workshop, pp. 189–196, IEEE, 2010.
[20] V. Shahiri, A. Kuhestani and L. Hanzo, "Short-Packet Amplify-and-Forward Relaying for the Internet-of-Things in the Face of Imperfect Channel Estimation and Hardware Impairments," IEEE Transactions on Green Communications and Networking, vol. 6, no. 1, pp. 20-36, March 2022.
[21] M. Ragheb, A. Kuhestani, M. Kazemi, H. Ahmadi and L. Hanzo, "RIS-Aided Secure Millimeter-Wave Communication Under RF-Chain Impairments," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 73, no. 1, pp. 952-963, Jan. 2024.
[22] A. Boulogeorgos, D. Karas, and G. Karagiannidis, “How much does I/Q imbalance affect secrecy capacity?” IEEE Communications Letters, 20(7):1305–1308, 2016.
[23] J. Zhu, R. Schober, and V. Bhargava, “PLS for massive MIMO systems impaired by phase noise,” 17th International Workshop in Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 2016 IEEE, pp. 1–5. 2016.
[24] W. Zhang and L. Yang, “Covert transmission of RIS-aided communication networks in the presence of imperfect CSI and hardware impairments,” 2023 IEEE/CIC International Conference on Communications in China, pp. 1-5, 2024.
[26] V. Shahiri, M. Forouzesh, H. Behroozi, A. Kuhestani and K. -K. Wong, “Deep learning aided secure transmission in wirelessly powered untrusted relaying in the face of hardware impairments,” IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 5, pp. 2196-2210, May 2024.
[27] Z. Ezzati, A. Mohammadi, V. Pourahmadi, and A. Kuhestani, “A machine learning multi-hop physical layer authentication with hardware impairments,” vol. 30, pp. 1453–1464, 2024.
 
دوره 13، شماره 3 - شماره پیاپی 51
پاییز
پاییز 1404
صفحه 41-50

  • تاریخ دریافت 10 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 07 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 18 شهریور 1404
  • تاریخ انتشار 01 آبان 1404