[論文レビュー] Covert Communication in Wireless Relay Networks

Jinsong Hu, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、リレーノードがソースのメッセージを中継する一方で、自身のデータを秘密裏に宛先に送信する一方的リレーネットワークにおける隠蔽通信を調査する。ソースはそのような不正な送信を検出するためのウォーデンとして機能する。本研究では、検出不能な送信に必要な条件を導出し、リレーの送信パワーを増加させることで隠蔽レートが向上することを示す。これは、検出制約下での中継性能と隠蔽通信能力のトレードオフを明らかにする。

ABSTRACT

Covert communication aims to shield the very existence of wireless transmissions in order to guarantee a strong security in wireless networks. In this work, for the first time we examine the possibility and achievable performance of covert communication in one-way relay networks. Specifically, the relay opportunistically transmits its own information to the destination covertly on top of forwarding the source's message, while the source tries to detect this covert transmission to discover the illegitimate usage of the recourse (e.g., power, spectrum) allocated only for the purpose of forwarding source's information. The necessary condition that the relay can transmit covertly without being detected is identified and the source's detection limit is derived in terms of the false alarm and miss detection rates. Our analysis indicates that boosting the forwarding ability of the relay (e.g., increasing its maximum transmit power) also increases its capacity to perform the covert communication in terms of achieving a higher effective covert rate subject to some specific requirement on the source's detection performance.

研究の動機と目的

• 一方的リレーネットワークにおける隠蔽通信の可能性を分析すること。ここで、リレーはソースのメッセージを中継する一方で、自身のデータを秘密裏に送信する。
• ソース（ウォーデンとして機能）がリレーの隠蔽送信を検出できないために必要な条件を特定すること。
• 偽陽性および見逃し検出確率の観点から、ソースにおける検出限界を同定すること。
• ソースの検出性能に制約を課した場合の、達成可能な有効な隠蔽レートを定量化すること。
• リレーのソース支援能力と隠蔽通信能力の間のトレードオフを明らかにすること。

提案手法

• システムモデルは、独立同一分布（i.i.d.）の複素ガウスチャネル係数を有するRayleigh fadingチャネル上で半二重モードリレーリングを仮定する。
• リレーはアンプリファイアンドフォワード方式を採用し、第二フェーズ中に自身の情報を宛先に機会的（オポチュニスティックに）送信する。
• ソースは尤度比検定を用いてリレーの隠蔽送信を検出する。しきい値に基づく検出方式を採用する。
• 検出性能は、偽陽性確率と見逃し確率を組み合わせた総誤差率によって特徴づけられる。
• 隠蔽送信が可能である条件（すなわち、検出が保証されない条件）を導出し、送信パワーとチャネル状態の関数として有効な隠蔽レートを計算する。
• 検出誤差率がしきい値（1−ε）を超える制約下で、リレーの最適送信パワーを特定する。これにより、検出されない確率が正となることが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一方的リレーネットワークにおいて、リレーがソースに検出されずに隠蔽通信を行うための条件は何か？
• RQ2 リレーが隠蔽通信を試みる際、ソースの偽陽性および見逃し検出率における検出限界は何か？
• RQ3 リレーの最大送信パワーが、ソースの送信を支援しつつも、隠蔽通信能力に与える影響は何か？
• RQ4 ソースの検出性能に制約を課した場合、達成可能な最大有効隠蔽レートは何か？
• RQ5 ソースとリレー間のチャネルゲインが、隠蔽通信の可能性およびレートに与える影響は何か？

主な発見

• リレーの送信パワーが、検出誤差率が非自明な値より上回る閾値未満である限り、一方的リレーネットワークにおける隠蔽通信は実現可能である。これは、ソースによる確実な検出を防ぐ。
• 最小総誤差率 ξ∗ は、隠蔽送信パワー PΔ の増加に従って単調に減少する。これは、高パワーでは隠蔽送信が検出されやすくなることを示している。
• 許容可能な最大隠蔽送信パワー PΔε は、上界 PΔu よりも顕著に小さい。実用的な状況では、検出を回避するため ξ∗ ≥ 0.5 が要求される。
• 有効な隠蔽レート R̄c は |h_sr|² に従って増加する。これは、ソース-リレー間リンクが強いほど、リレーが検出制約に違反せずに隠蔽送信を行う確率が高くなるためである。
• リレーのソース支援能力（高パワーによる支援）と隠蔽通信能力の間にはトレードオフが存在する。高パワーでは検出確率が上昇するためである。
• 制約条件 ξ∗ ≥ 1−ε の下で最適な PΔ は、実行可能領域が小さくなるため、効率的に探索可能である。特に PΔε が PΔu よりも著しく小さい場合には顕著である。