[論文レビュー] Covert Wireless Communication with a Poisson Field of Interferers

Biao He, Shihao Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Wireless Communication Security Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ポアソン干渉者場を用いた確率的幾何学的手法を用いて、干渉者にさらされたネットワークにおけるステガノグラフィック無線通信を研究している。干渉が支配的である領域では、干渉者密度および送信電力にかかわらず、ステガノグラフィックスループットが不変であることが示されている。一方、干渉が小さくノイズと同等の状態では、干渉者密度や電力を増加させることでステガノグラフィックスループットが向上し、干渉対ノイズ比に支配される非単調なトレードオフが明らかになった。

ABSTRACT

In this paper, we study covert communication in wireless networks consisting of a transmitter, Alice, an intended receiver, Bob, a warden, Willie, and a Poisson field of interferers. Bob and Willie are subject to uncertain shot noise due to the ambient signals from interferers in the network. With the aid of stochastic geometry, we analyze the throughput of the covert communication between Alice and Bob subject to given requirements on the covertness against Willie and the reliability of decoding at Bob. We consider non-fading and fading channels. We analytically obtain interesting findings on the impacts of the density and the transmit power of the concurrent interferers on the covert throughput. That is, the density and the transmit power of the interferers have no impact on the covert throughput as long as the network stays in the interference-limited regime, for both the non-fading and the fading cases. When the interference is sufficiently small and comparable with the receiver noise, the covert throughput increases as the density or the transmit power of the concurrent interferers increases.

研究の動機と目的

• ポアソン干渉者場を有する無線ネットワークにおけるステガノグラフィック通信スループットを分析すること。
• 干渉者密度および送信電力が、隠蔽性および信頼性に与える影響を調査すること。
• 監視者（ウィリー）による検出を受けても、正のステガノグラフィックスループットが達成可能な条件を特定すること。
• ショットノイズと確率的幾何学的手法を用いて、ランダム干渉者がウィリーの検出性能に与える影響をモデル化すること。
• 干渉が支配的およびノイズが支配的な領域におけるステガノグラフィックスループットの解析的境界を導出すること。

提案手法

• ランダム干渉者を表すために、均一なポアソン点過程（PPP）をネットワークモデルに用いる。
• ボブ（受信者）およびウィリー（監視者）における集約干渉をショットノイズでモデル化する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、平均的ステガノグラフィック確率および接続障害確率を導出する。
• 検出指標の準凸最適化を用いて、ウィリー受信機における最適検出しきい値を導出する。
• フェージングなしおよびフェージングありの両方のチャネルを分析し、レイリーフェージング下でのスループットに対して閉形式の式を得る。
• 平方根法をベースラインとして用い、ランダム干渉者を伴う干渉が支配的状況に拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉者密度は、無線ネットワークにおける最大達成可能ステガノグラフィックスループットにどのように影響するか？
• RQ2 干渉が支配的領域において、干渉者送信電力は隠蔽性および信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 干渉がノイズと同等の状態で、正のステガノグラフィックスループットが達成可能な条件は何か？
• RQ4 ポアソン干渉者場が、低干渉領域と比較して、より高いステガノグラフィックスループットを実現可能にするか？
• RQ5 フェージングありおよびフェージングなしのチャネルは、ステガノグラフィック通信性能にどのように異なる影響を与えるか？

主な発見

• 干渉が支配的領域では、フェージングなしおよびフェージングありの両方のチャネルにおいて、干渉者密度および送信電力にかかわらず、ステガノグラフィックスループットが不変である。
• 干渉が小さくノイズと同等の状態では、干渉者密度または送信電力を増加させることで、ステガノグラフィックスループットが向上する。
• ウィリー受信機における最適検出しきい値は、検出指標の準凸最適化を用いて導出された。
• ウィリーの検出しきい値を準凸関数の解に設定することで、平均的ステガノグラフィック確率が最大化され、最適な検出性能が確保される。
• システムがノイズ支配から干渉支配に移行する際、干渉者密度および電力が増加するにつれてスループットが上昇する。
• 結果から、ランダム干渉者が干渉が強いほど、監視者による信号の検出をマスキングする自然なカバーとして機能することが示された。