[論文レビュー] Physical Layer Security for Two-Way Untrusted Relaying with Friendly Jammers

Rongqing Zhang, Lingyang song Zhu Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、友好的ジャマーモードを備えた双方向信頼できないリレーネットワークにおける物理層セキュリティを向上させるため、スタックルベルクゲームに基づく電力制御方式を提案する。送信元を買い手、ジャマーモードを売り手としてモデル化することで、ジャミング電力と価格を最適化し、スニペットレートを最大化し、分散的に中央集権的性能に近い結果を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider a two-way relay network where two sources can communicate only through an untrusted intermediate relay, and investigate the physical layer security issue of this two-way relay scenario. Specifically, we treat the intermediate relay as an eavesdropper from which the information transmitted by the sources needs to be kept secret, despite the fact that its cooperation in relaying this information is essential. We indicate that a non-zero secrecy rate is indeed achievable in this two-way relay network even without external friendly jammers. As for the system with friendly jammers, after further analysis, we can obtain that the secrecy rate of the sources can be effectively improved by utilizing proper jamming power from the friendly jammers. Then, we formulate a Stackelberg game model between the sources and the friendly jammers as a power control scheme to achieve the optimized secrecy rate of the sources, in which the sources are treated as the sole buyer and the friendly jammers are the sellers. In addition, the optimal solutions of the jamming power and the asking prices are given and a distributed updating algorithm to obtain the Stakelberg equilibrium is provided for the proposed game. Finally, the simulations results verify the properties and the efficiency of the proposed Stackelberg game based scheme.

研究の動機と目的

• リレーモードが信頼できないため、送信元の通信を盗聴する可能性がある双方向リレーネットワークにおける物理層セキュリティの課題に対処すること。
• 外部ジャマーモードが存在しない場合に、非ゼロのスニペットレートが達成可能かどうかを調査すること。
• 悪意のないジャマーモードが人工ノイズを送信することでリレーモードを混乱させるように、スニペットレートを向上させること。
• 送信元と友好的ジャマーモードの間で、スニペット性能を最適化する分散的でゲーム理論的な電力制御メカニズムを開発すること。
• 異なる数や効果的なジャマーモードの数に適応可能なスケーラブルなソリューションを提供すること。

提案手法

• 送信元をリーダー（ジャミングサービスの購入者）とし、友好的ジャマーモードをフォロワー（ジャミング電力の販売者）としてモデル化したスタックルベルグゲームを定式化する。
• ジャミング電力と価格を意思決定変数として、スニペットレートの増加からジャミングコストを差し引いた関数として送信元の利得をモデル化する。
• ゲーム理論的最適化を用いて、最適ジャミング電力と均衡価格の閉形式表現を導出する。
• 中央集権的調整なしにスタックルベルグ均衡に収束する分散的反復アルゴリズムを提案する。
• チャネル状態情報と電力制約をゲームモデルに統合し、実用的な妥当性を確保する。
• 2つのシナリオにおける性能を評価する：少なくとも1つの非常に効果的なジャマーモードが存在する場合と、そのようなジャマーモードが存在しない場合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 友好的ジャマーモードが存在しない双方向信頼できないリレーネットワークにおいて、非ゼロのスニペットレートが達成可能か？
• RQ2 友好的ジャマーモードの導入が、このようなネットワークにおける達成可能なスニペットレートに与える影響は何か？
• RQ3 合理的な価格設定のもとで、スニペットレートを最大化するための友好的ジャマーモードの最適電力割り当て戦略は何か？
• RQ4 友好的ジャマーモードの数が、特に単一のジャマーモードが非常に効果的でない場合に、最適スニペットレートに与える影響は何か？
• RQ5 分散的スタックルベルグゲーム解の性能は、中央集権的最適解にどれほど近いか？

主な発見

• 友好的ジャマーモードが存在しない状況下でも、双方向信頼できないリレーネットワークにおいて非ゼロのスニペットレートが達成可能であり、物理層セキュリティの潜在的実現可能性を示している。
• 友好的ジャマーモードを導入することでスニペットレートを顕著に向上させることができ、最適ジャミング電力割り当てが最大の性能向上をもたらす。
• ジャマーモードが非常に効果的である場合、利用可能なジャマーモードの数に関わらず、送信元は常に最も効果的な1つのジャマーモードからジャミングサービスを購入する。
• 十分に効果的なジャマーモードが存在しない場合、ジャマーモードの数を増やすことで最適スニペットレートは最大限まで向上するが、チャネル状態と電力制約によって制限される。
• 分散的スタックルベルグゲーム解は、特にスニペットレートの利得係数が大きい場合には、中央集権的最適解に非常に近い性能を達成する。
• 価格設定にはトレードオフがある：ジャマーモードが価格を高すぎると、送信元はよりコスト効率の良い代替先に移行するため、市場の効率性が保証される。