[論文レビュー] Secrecy Outage Capacity of Fading Channels

Onur Güngör, Jian Tan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 12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機密性アウトージュ容量の概念を導入し、遅延制約下での安全通信の根本的限界を特徴づける。送信側に完全なチャネル状態情報（CSI）がある場合と部分的なCSI（正当なチャネルのみ既知）がある場合の両方の状況において、シャープな容量バウンドを導出する。また、送信側が好都合なチャネル状態（主チャネルが盗聴者チャネルを上回る状態）の間に一時的に秘密鍵を交換するキーバッファリング方式と、パワー制御を組み合わせることで、盗聴者チャネルが平均的に優位な場合でも非ゼロの機密性レートを達成可能である。

ABSTRACT

This paper considers point to point secure communication over flat fading channels under an outage constraint. More specifically, we extend the definition of outage capacity to account for the secrecy constraint and obtain sharp characterizations of the corresponding fundamental limits under two different assumptions on the transmitter CSI (Channel state information). First, we find the outage secrecy capacity assuming that the transmitter has perfect knowledge of the legitimate and eavesdropper channel gains. In this scenario, the capacity achieving scheme relies on opportunistically exchanging private keys between the legitimate nodes. These keys are stored in a key buffer and later used to secure delay sensitive data using the Vernam's one time pad technique. We then extend our results to the more practical scenario where the transmitter is assumed to know only the legitimate channel gain. Here, our achievability arguments rely on privacy amplification techniques to generate secret key bits. In the two cases, we also characterize the optimal power control policies which, interestingly, turn out to be a judicious combination of channel inversion and the optimal ergodic strategy. Finally, we analyze the effect of key buffer overflow on the overall outage probability.

研究の動機と目的

• フェージングチャネルを介した遅延感受性トラフィックにおける機密性制約付きの安全通信の根本的限界を扱う。
• 盗聴者チャネルが正当なチャネルよりも平均的に優位な場合に生じるエルゴディック機密性容量がゼロとなるという制限を克服する。
• 送信側に完全なCSI（正当および盗聴者チャネルが既知）がある場合と、部分的なCSI（正当チャネルのみ既知）がある場合の2つのシナリオにおいて、機密性アウトージュ容量を特徴づける。
• アウトージュ制約下で機密性レートを最大化する最適パワー制御方策を、チャネル反転とエルゴディック戦略を組み合わせることで導出する。
• 有限バッファサイズに起因するキーバッファのオーバーフローが機密性アウトージュ確率に与える影響を分析し、損失確率のバウンドを提供する。

提案手法

• 伝統的なアウトージュ容量を機密性制約を組み込んだものに拡張する機密性アウトージュ容量フレームワークを提案する。
• 送信側および受信側にキーバッファを設け、主チャネルが盗聴者チャネルを上回る好都合なチャネル状態の間に生成された秘密鍵ビットを蓄積する。
• ワンタイムパッド（ヴェルナム暗号）を用いて、遅延感受性データを蓄えられた鍵ビットで暗号化することで、盗聴者チャネル状態が悪い状況下でも機密性アウトージュを回避する。
• 完全なCSIの場合、チャネル反転とエルゴディックパワー割り当てを組み合わせた最適パワー制御方策を、アウトージュ制約下で機密性レートを最大化する目的で導出する。
• 部分的なCSIの場合、盗聴者チャネルのCSIが不要なプライバシー強化技術を用いて秘密鍵ビットを生成し、主チャネルのフィードバックのみに依存する。
• キーバッファのダイナミクスをモデル化し、重交通キューイング理論とLoynesの安定性結果を用いて、キーバッファのオーバーフロー確率の漸近的尾部バウンドを導出する。

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を介した遅延感受性トラフィックにおける機密性アウトージュ制約下での安全通信の根本的限界は何か？
• RQ2 送信側が正当および盗聴者チャネルのゲインを完全に把握している場合、機密性アウトージュ容量はどのように変化するか？
• RQ3 正当チャネル状態のみが既知である場合、機密性アウトージュ制約下で機密性レートを最大化する最適パワー制御方策は何か？
• RQ4 有限バッファサイズを持つ実用的システムにおいて、キーバッファのオーバーフローは全体の機密性アウトージュ確率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 盗聴者チャネルが平均的に正当チャネルよりも優位な場合でも、遅延制限付きトラフィックに対して非ゼロの機密性レートを達成可能か？

主な発見

• 盗聴者チャネルが平均的に優位であっても、送信側が好都合なチャネル状態の間に一時的に鍵を交換できる限り、機密性アウトージュ容量は厳密に正である。
• 完全なCSIの場合、最適パワー制御方策はチャネル反転とエルゴディックパワー割り当てのハイブリッドであり、アウトージュ制約下で達成可能な最高の機密性レートを実現する。
• 部分的なCSIの状況では、プライバシー強化により盗聴者チャネルのCSIが不要な状態で秘密鍵を生成可能であり、その結果得られる機密性アウトージュ容量は有限バッファモデルによって特徴づけられる。
• キーバッファのオーバーフロー確率は重交通キューイング理論を用いてバウンドされ、最適パワー制御下では損失レートがバッファサイズに指数関数的に減少することが示された。
• 重交通条件下では、キーバッファの漸近的尾部分布は指数分布に収束し、その減衰率は機密性容量を超える余剰レートに依存する。
• 導出された機密性アウトージュ容量およびパワー制御方策はタイトであり、従来の遅延制限付き機密性容量に関する結果を一般化し、実用的システムにおける鋭い根本的限界を提供する。