[論文レビュー] Multi-Phase Smart Relaying and Cooperative Jamming in Secure Cognitive Radio Networks

Pin-Hsun Lin, Frédéric Gabry+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、認知的無線ネットワークにおける安全なスペクトル共有を実現するため、マルチフェーズスマートリレーリングおよび協調ジャミング方式を提案する。二次ユーザーがプライマリユーザーの信号をリレーしつつ、自身のデータを送信しても、プライマリユーザーの機密性レートを損なわない。Gelfand-Pinsker符号化を活用し、伝送フェーズを最適化することで、ほぼ容量性能（1チャネル使用あたり0.3ビット以内）を達成し、ノードの配置に応じてスループットとセキュリティを最適化する。

ABSTRACT

In this paper we investigate cooperative secure communications in a four-node cognitive radio network where the secondary receiver is treated as a potential eavesdropper with respect to the primary transmission. The secondary user is allowed to transmit his own signals under the condition that the primary user's secrecy rate and transmission scheme are intact. Under this setting we derive the secondary user's achievable rates and the related constraints to guarantee the primary user's weak secrecy rate, when Gelfand-Pinsker coding is used at the secondary transmitter. In addition, we propose a multi-phase transmission scheme to include 1) the phases of the clean relaying with cooperative jamming and 2) the latency to successfully decode the primary message at the secondary transmitter. A capacity upper bound for the secondary user is also derived. Numerical results show that: 1) the proposed scheme can outperform the traditional ones by properly selecting the secondary user's parameters of different transmission schemes according to the relative positions of the nodes; 2) the derived capacity upper bound is close to the secondary user's achievable rate within 0.3 bits/channel use, especially when the secondary transmitter/receiver is far/close enough to the primary receiver/transmitter, respectively. Thereby, a smart secondary transmitter is able to adapt its relaying and cooperative jamming to guarantee primary secrecy rates and to transmit its own data at the same time from relevant geometric positions.

研究の動機と目的

• 二次ユーザーがプライマリユーザーの機密性レートを低下させることなく、自身のデータを送信できるようにすること。
• 協調リレーリングおよびジャミング下で、プライマリユーザーの弱い機密性レートを維持する伝送方式を設計すること。
• 機密性制約下で二次ユーザーの実現可能レートおよび容量上限を導出すること。
• ノードの相対的位置に基づいて伝送パラメータを最適化し、スペクトル効率およびセキュリティを向上させること。
• 数値結果を通じて、本方式の性能を検証し、近似的最適レートおよびネットワークジオメトリへの適応性を示すこと。

提案手法

• 二次送信機でGelfand-Pinsker符号化を用い、プライマリユーザーの機密性レートを損なわずに自身のメッセージを符号化する。
• クリーンリレーリングと協調ジャミングを組み合わせたマルチフェーズ伝送方式を導入し、信頼性とセキュリティの両方を向上させる。
• プライマリユーザーの目標機密性レートが維持されるように、送信パワー割り当ておよびビームフォーミング係数の制約を導出する。
• フーリエ＝モツキン消去法および相互情報量の境界を用いて、二次ユーザーの実現可能レートの上限および下限を導出する。
• 二次送信パワーが増加する際の漸近的性能を評価するため、上限および下限の自由度（DoF）を分析する。
• ノードの配置およびチャネル状態に基づいて、ジャミングパワー割合およびビームフォーミングウェイトなどのパラメータを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二次ユーザーが自身のデータを送信しつつ、プライマリユーザーの機密性レートを損なわずに保てるか？
• RQ2 4ノード構成の認知的無線ネットワークにおいて、信頼性の高いリレーリングと効果的な協調ジャミングを両立させる伝送戦略は何か？
• RQ3 ノードの相対的位置が、二次ユーザーの実現可能レートおよび機密性パフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ4 導出された容量上限と二次ユーザーの実現可能レートの差はどの程度か？
• RQ5 高パワー領域におけるシステムの性能は如何であり、二次レートの漸近的自由度（DoF）は何か？

主な発見

• ノードの配置に基づいて二次ユーザーのパラメータを適切に選択した場合、本方式は従来手法を上回る性能を示す。
• 導出された容量上限は、二次送信機または受信機がプライマリ送信機または受信機に近いか遠く離れている場合、実現可能レートと0.3ビット/チャネル使用の差で収束する。
• 最適なパワー割り当ておよびビームフォーミング設計のもとで、二次ユーザーの実現可能レートは上限に近づく。
• 高パワー領域において、上限の自由度（DoF）は1に達し、二次リンクにおける完全な多重度利得を示す。
• プライマリ受信機へのチャネル係数が大きい場合、下限のDoFは1に近づき、上限と一致する。これは、ほぼ最適性能であることを確認する。
• 数値結果から、高SNR領域ではジャミングパワー割合をゼロに設定しても最適性能が維持されることが示され、ジャミングが中程度のパワー領域で最も効果的であることが示唆される。