[論文レビュー] Pilot-Based Channel Estimation Design in Covert Wireless Communication

Tingzhen Xu, Linlin Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2019

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、隠れ通信におけるパイロットベースのチャネル推定設計を提案し、パイロット信号と情報信号に等しいパワー割り当てがウィリーの検出性能を最小化することを示している。密かさ制約が厳しくなるにつれて、最適なパイロットのチャネル使用数が増加し、有限ブロック長条件下で有効SINRを最大化する。

ABSTRACT

In this work, for the first time, we tackle channel estimation design with pilots in the context of covert wireless communication. Specifically, we consider Rayleigh fading for the communication channel from a transmitter to a receiver and additive white Gaussian noise (AWGN) for the detection channel from the transmitter to a warden. Before transmitting information signals, the transmitter has to send pilots to enable channel estimation at the receiver. Using a lower bound on the detection error probability, we first prove that transmitting pilot and information signals with equal power can minimize the detection performance at the warden, which is confirmed by the minimum detection error probability achieved by the optimal detector based on likelihood ratio test. This motivates us to consider the equal transmit power in the channel estimation and then optimize channel use allocation between pilot and information signals in covert wireless communication. Our analysis shows that the optimal number of the channel uses allocated to pilots increases as the covertness constraint becomes tighter. In addition, our examination shows that the optimal percentage of all the available channel uses allocated to channel estimation decreases as the total number of channel uses increases.

研究の動機と目的

• 有限ブロック長制約下での隠れ通信におけるチャネル推定設計の欠如に取り組むこと。
• パイロット信号と情報信号のパワー割り当てがウィリーの検出性能に与える影響を調査すること。
• 通信の信頼性を最大化すると同時に密かさを維持するため、パイロット信号と情報信号のチャネル使用数の割り当てを最適化すること。
• 密かさ制約下での最適なパイロット信号に割り当てられるチャネル使用数の解析的表現を導出すること。

提案手法

• ウィリー（世話役）の最小検出誤り確率の下界を導出するために、カルバック・ライバラー（KL）ダイバージェンスを用いる。
• パイロット信号と情報信号に等しい送信パワーがウィリーの検出性能を最小化することを証明し、尤度比検定解析によって確認する。
• 密かさ制約下で有効SINRを最大化する最適なパイロットのチャネル使用数 $ n_p^* $ を導出する。
• $ n_p $ と $ \epsilon $（密かさパラメータ）を変化させることで、チャネル推定精度と密かさのトレードオフを分析する。
• 数値シミュレーションにより、解析的結果と数値的最適 $ n_p^* $ が完全に一致することを検証する。
• アリス・ボブ間リンクにはレイリー fading を、アリス・ウィリー間検出リンクにはAWGNを仮定し、有限ブロック長の仮定を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイロット信号と情報信号の間でパワー割り当てを不均等にすると、ウィリーの検出性能が向上し、密かさが劣化するか？
• RQ2 有効SINRを最大化する最適なパイロットのチャネル使用数は何か？ ただし、密かさ制約を満たすものとする。
• RQ3 最適パイロットリソース割り当ては、密かさ要件と総チャネル使用数に対してどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 パイロット信号と情報信号に等しいパワー割り当てが、隠れ通信におけるウィリーの検出誤り確率を最小化できるか？
• RQ5 総チャネル使用数が増加する際、パイロット使用数の割合はどのように変化するか？

主な発見

• パイロット信号と情報信号に等しい送信パワーが、ウィリーの検出誤り確率を最小化する。これはKLダイバージェンスの下界と最適尤度比検定の両方で確認された。
• 最適なパイロットのチャネル使用数 $ n_p^* $ は、密かさ制約が厳しくなる（つまり $ \epsilon $ が小さくなる）ほど増加する。
• 比率 $ n_p^* / n $ は、総チャネル使用数 $ n $ が増加するにつれて減少し、大ブロック長領域ではチャネル推定のオーバーヘッドが次第に小さくなることが示唆される。
• 数値結果により、$ n_p^* $ の解析的解が数値最適化と完全に一致することが確認され、導出された式の妥当性が裏付けられた。
• $ \epsilon $ が小さくなると、最大有効SINRが顕著に劣化することが確認され、密かさが隠れ通信システムにおける主な性能制限要因であることが示された。
• 最適パイロット割り当て戦略は、信頼性の高い通信と低検出性の両立に不可欠であり、特に有限ブロック長の隠れ通信システムにおいて重要である。