[論文レビュー] Proactive Eavesdropping via Cognitive Jamming in Fading Channels

Jie Xu, Lingjie Duan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、フェージングチャネルにおける認知的ジャミングを用いた能動的盗聴を提案する。正当な監視者が全デュプレックスジャミングを用いて、懸念される受信機の通信レートを劣化させることで、自らの盗聴能力を向上させる。完全な自己干渉キャンセレーションおよびグローバルなチャネル状態情報（CSI）を前提とし、監視者は非アウトージー確率（遅延に敏感な用途）または相対的盗聴レート（遅延に耐性のある用途）を最大化するようにジャミング電力割り当てを最適化する。この手法は、ベンチマークを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

To enhance the national security, there is a growing need for government agencies to legitimately monitor suspicious communication links for preventing intended crimes and terror attacks. In this paper, we propose a new wireless information surveillance paradigm by investigating a scenario where a legitimate monitor aims to intercept a suspicious wireless communication link over fading channels. The legitimate monitor can successfully eavesdrop (decode) the information of the suspicious link at each fading state only when its achievable data rate is no smaller than that at the suspicious receiver. In practice, such legitimate eavesdropping is particularly challenging, since the legitimate monitor may be far away from the suspicious transmitter and cannot eavesdrop efficiently. To overcome this issue, we propose a new approach, namely proactive eavesdropping via cognitive jamming, in which the legitimate monitor purposely jams the receiver so as to change the suspicious communication (e.g., to a smaller data rate) for overhearing more efficiently. In particular, we consider delay-sensitive and delay-tolerant applications for the suspicious data communications, under which the legitimate monitor maximizes the eavesdropping non-outage probability for event-based monitoring and the relative eavesdropping rate for content analysis, respectively, by optimizing its jamming power allocation over different fading states subject to an average power constraint. Numerical results show that the proposed proactive eavesdropping via cognitive jamming approach greatly outperforms the conventional passive eavesdropping without jamming and the proactive eavesdropping with constant-power jamming.

研究の動機と目的

• コアネットワークへのアクセスが制限されるため、従来の監視手法では対応できないインフラ構築のない、不審な無線通信を監視する課題に対処すること。
• 物理層セキュリティから正当で能動的な盗聴へのパラダイムシフトを提案すること。認知的ジャミングを用いる。
• 遅延に敏感な（非アウトージー確率）および遅延に耐性のある（相対的盗聴レート）2つの応用モデルにおいて、盗聴性能を最大化すること。
• 平均電力制約下でフェージング状態ごとのジャミング電力割り当てを最適化し、全デュプレックス動作および完全な自己干渉キャンセレーションを活用すること。
• 実用的状況における残留自己干渉および局所的なチャネル状態情報（CSI）を考慮し、オンライン展開を可能にするフレームワークの拡張。

提案手法

• 正当な監視者は、全デュプレックス認知的ジャミングを用いて、不審な受信機の実現可能レートを劣化させ、自らのレートが受信機のレートを上回る場合に送信を復号可能にする。
• システムは完全な自己干渉キャンセレーション（SIC）およびグローバルなチャネル状態情報（CSI）を仮定し、フェージング状態ごとに最適な電力割り当てが可能になる。
• 遅延に敏感な用途では、フェージング状態の確率的最適化問題を解くことで、非アウトージー確率を最大化する。
• 遅延に耐性のある用途では、ジャミングコストと情報収集のバランスを取る電力割り当て戦略により、相対的盗聴レートを最大化する。
• 実用的展開における残留自己干渉および局所CSIに対応するため、最適解に基づくオンライン認知的ジャミング方式を設計する。
• 最適電力割り当てはラグランジュ双対性および部分勾配法を用いて導出され、各フェージング状態についてチャネルゲインと電力制約に基づく閉形式解が得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェージングチャネルにおいて、正当な監視者が不審な受信機の通信レートを能動的に劣化させることで、どのように盗聴性能を向上させられるか？
• RQ2 平均電力制約下で、盗聴非アウトージー確率を最大化する認知的ジャミングの最適電力割り当て戦略は何か？
• RQ3 遅延に敏感な監視と遅延に耐性のある監視の両用途において、最適ジャミング方針はどのように異なるか？
• RQ4 能動的盗聴は、受動的監視や非認知的ジャミングと比較して、どの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ5 残留自己干渉および限られたCSIを有する実用的システムに、最適な認知的ジャミング方針をどのように適応できるか？

主な発見

• 提案された認知的ジャミングを用いた能動的盗聴は、非アウトージー確率および相対的盗聴レートの両面で、ベンチマーク手法を著しく上回る性能を発揮する。
• 最適ジャミング電力割り当ては、監視者、送信者、受信者の間の相対的チャネルゲインに依存し、各フェージング状態について閉形式の表現式が導出された。
• 非アウトージー確率の最大化は、フェージング下でも監視者が復号可能であることを保証するため、イベント駆動型監視において高い信頼性を実現する。
• 相対的盗聴レートの最大化は、コンテンツ分析シナリオにおいて、監視者の有効データレートを向上させるため、顕著な利得をもたらす。
• 最適方針に基づくオンライン認知的ジャミング方式は、残留自己干渉および局所CSIを有する実用的環境でも、ほぼ最適な性能を達成する。
• 導出された最適電力割り当て戦略は、部分勾配法および楕円体ベース最適化による実装が可能であり、ロバストかつスケーラブルである。