[論文レビュー] Covert Wireless Communications with Channel Inversion Power Control in Rayleigh Fading

Jinsong Hu, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 32被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、レイリー faded 環境におけるチャネルインバージョンパワー制御（CIPC）を用いた傍受不能な無線通信方式を提案する。フルデュプレックス受信機により、フィードバックが不要な状態で送信機が監視者から隠蔽可能となる。切り捨てCIPC方式は、検出誤り制約下での最適パワー制御により、従来のCIPCに比べ高い有効な傍受不能スループットを達成する。

ABSTRACT

In this work, we adopt channel inversion power control (CIPC) to achieve covert communications aided by a full-duplex receiver. Specifically, the transmitter varies the power and phase of transmitted signals as per the channel to the receiver, such that the receiver can decode these signals without knowing the channel state information. This eliminates the required feedback from the transmitter to the receiver, which aids hiding the transmitter from a warden. The truncated CIPC and conventional CIPC schemes are proposed and examined, where for truncated CIPC covert transmission ceases when the channel quality from the transmitter to the receiver is low, while for conventional CIPC covert transmission always occurs regardless of this channel quality. We examine their performance in terms of the achieved effective covert throughput (ECT), which quantifies the amount of information that the transmitter can reliably convey to the receiver, subject to the constraint that the warden's detection error probability is no less than some specific value. Our examination shows that the truncated CIPC scheme can outperform the conventional CIPC scheme due to this constraint.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおける監視者から送信機を隠す課題に取り組むこと、特に、IoTや軍事的応用において位置情報の露呈が深刻な影響を及える状況を想定する。
• 従来の傍受不能通信方式が送信活動の隠蔽にとどまっているという限界を克服すること。
• 受信機からのフィードバックを必要としない、信頼性の高い傍受不能通信を可能にするパワー制御戦略の設計。
• 監視者の検出誤り制約下における有効な傍受不能スループットという観点から、切り捨てCIPC方式と従来のCIPC方式の性能を分析・比較すること。

提案手法

• 送信機は、受信機へのチャネル状態に応じて送信パワーと位相を適応的に調整するため、チャネルインバージョンパワー制御（CIPC）を用いる。これにより、フィードバックの必要性が排除される。
• フルデュプレックス受信機を採用することで、送信と受信を同時に実行可能となり、送信機の存在を露呈せずに傍受不能通信が実現可能となる。
• 切り捨てCIPC方式は、受信先のチャネル品質が悪い場合には送信を一時停止するが、従来のCIPC方式はチャネル品質にかかわらず送信を継続する。
• 監視者の検出誤り確率をしきい値に制約することで傍受不能通信を確保し、その制約下で有効な傍受不能スループット（ECT）を最大化する。
• アウトージャ確率と検出誤り確率を用いて性能を分析し、人工ノイズパワーと送信パワーの最適化により、信頼性と傍受不能性のトレードオフを調整する。
• 数値結果を用いて、最大送信パワーと検出制約が変化する条件下でのECTを評価し、数値探索により最適なパワー割り当てを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信機からのフィードバックが不要な状態でも、レイリー faded 環境におけるチャネルインバージョンパワー制御（CIPC）が、傍受不能通信に有効に適用可能かどうか。
• RQ2 チャネル品質が悪い状況で送信を一時停止する切り捨てCIPC方式は、従来のCIPC方式と比較して、有効な傍受不能スループットにおいてどのように異なるか。
• RQ3 監視者の検出誤り確率制約下で、有効な傍受不能スループットを最大化する送信機および人工ノイズ源の最適最大送信パワーは何か。
• RQ4 切り捨てCIPC方式が、信頼性と傍受不能性のトレードオフを考慮した結果、従来のCIPC方式よりも優れた性能を達成するか。
• RQ5 パrameter $ P_a^{ ext{max}} $ と $ P_b^{ ext{max}} $ が、2つの方式における有効な傍受不能スループットにどのように影響を与えるか。

主な発見

• 切り捨てCIPC方式は、検出制約下でのより優れたパワー制御により、従来のCIPC方式よりも高い最大有効な傍受不能スループット（ECT）を達成する。
• 切り捨てCIPC方式において、ボブの最大送信パワー $ P_b^{ ext{max}} $ に最適値が存在し、それ以上に増加すると検出可能性が上昇するため性能が劣化する。
• 従来のCIPC方式のECTは、$ P_b^{ ext{max}} $ が増加するにつれて単調に増加し、$ P_b^{ ext{max}} $ が増大するに従い上限に近づく。
• 切り捨てCIPC方式のECTは、$ P_a^{ ext{max}} $ が増加するにつれて一時的に増加し、その後減少する傾向を示し、最適な送信パワーが存在することが示唆される。
• $ P_a^{ ext{max}} $ が増加するに従い、切り捨てCIPC方式のECTは従来のCIPC方式に近づくことが確認され、解析的結果を裏付ける。
• 有効な傍受不能通信の制約（すなわち、監視者の検出誤り確率しきい値 $ \\epsilon $）がECTの主な制限要因であり、$ \\epsilon $ が大きいほどECTが高くなる。