[論文レビュー] Secure Transmission on the Two-hop Relay Channel with Scaled Compute-and-Forward

Zhijie Ren, Jasper Goseling+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、スケーリングを施したコンピュート・アンド・フォワードを用いて、信頼できないリレーやランダムビニング、ラティスチェーンコードを活用し、二ホップリレーチャネルにおける安全な伝送のための二つの新規な方式を提案する。高SNRまたは低リレー出力パワーの状況では、両方式とも秘匿性レートの上限に達し、秘匿性制約なしの容量から0.5ビット/チャネル使用単位以内に近づく。

ABSTRACT

In this paper, we consider communication on a two-hop channel, in which a source wants to send information reliably and securely to the destination via a relay. We consider both the untrusted relay case and the external eavesdropper case. In the untrusted relay case, the relay behaves as an eavesdropper and there is a cooperative node which sends a jamming signal to confuse the relay when the it is receiving from the source. We propose two secure transmission schemes using the scaled compute-and-forward technique. One of the schemes is based on a random binning code and the other one is based on a lattice chain code. It is proved that in either the high Signal-to-Noise-Ratio (SNR) scenario and/or the restricted relay power scenario, if the destination is used as the jammer, both schemes outperform all existing schemes and achieve the upper bound. In particular, if the SNR is large and the source, the relay, and the cooperative jammer have identical power and channels, both schemes achieve the upper bound for secrecy rate, which is merely $1/2$ bit per channel use lower than the channel capacity without secrecy constraints. We also prove that one of our schemes achieves a positive secrecy rate in the external eavesdropper case in which the relay is trusted and there exists an external eavesdropper.

研究の動機と目的

• リレーが信頼できない状況で、ソースの送信を盗聴する可能性がある二ホップリレーチャネルにおける安全な通信の課題に取り組む。
• 特定のチャネル条件では正の秘匿性レートを達成できない既存の手法の限界を克服する。
• スケーリングを施したコンピュート・アンド・フォワードフレームワークを活用して、信頼性と安全性を両立する新たな伝送方式を設計する。
• 高SNRおよびリレー出力パワーが制限される状況で、秘匿性レートの上限に到達し、既存手法を上回る性能を達成する。
• リレーが信頼できる場合の外部盗聴者に対応するため、フレームワークを拡張し、正の秘匿性レートを保証する。

提案手法

• リレーでの線形結合の信頼性ある復元を可能にするために、「スケーリングを施したコンピュート・アンド・フォワード」と呼ばれる改良型のコンピュート・アンド・フォワード技術を導入する。
• ソースでランダムビニングコードを用いて人工ノイズを生成し、信頼できないリレーからの盗聴を強化する。
• ソースでラティスチェーンコードを実装して構造的ランダムネスを生成し、信頼性とセキュリティを向上させる。
• 協力ジャミング（目的地）がジャミング信号を送信し、信頼できないリレーを混乱させるが、目的地には既知であるようにする。
• ラティス構造を用いてリレーでモジュロ演算を実行し、望ましい信号を保持すると同時に盗聴を抑制する。
• 長期間にわたる伝送効率を確保するため、リレー出力制約に基づいて伝送レートを適応的に調整し、大きなKを用いたブロックフェージングモデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないリレーを有する二ホップリレーチャネルに対して、秘匿性レートの上限に到達する安全な伝送方式を設計できるか？
• RQ2 高SNRおよび低リレー出力パワーの状況において、提案手法の性能は、既存の協力ジャミングおよびコンピュート・アンド・フォワード手法と比べてどのように異なるか？
• RQ3 リレーが信頼できるが外部盗聴者が存在する場合の実現可能な秘匿性レートは何か？
• RQ4 非対称チャネル条件および限られたリレー出力パワー下でも、提案手法が正の秘匿性レートを維持できるか？
• RQ5 コード構造の選択（ランダムビニング対ラティスチェーン）が最適な秘匿性レートを達成する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 高SNR領域で、ソース、リレー、目的地の出力とチャネル条件が同一の場合、両方式とも秘匿性レート $ \frac{1}{2}\log_2(1 + \text{SNR}) - \frac{1}{2} $ を達成し、コンピュート・アンド・フォワードの容量から0.5ビット/チャネル使用単位以内に近づく。
• 提案手法は、高SNRおよびリレー出力パワーが制限される状況で秘匿性レートの上限に到達し、すべての既存手法を上回る性能を示す。
• ランダムビニングベースの手法は、リレーが信頼できるが外部盗聴者が存在する状況でも正の秘匿性レートを達成する。
• ラティスチェーンベースの手法は、対称的状況で同じ上限に到達し、理想状態下での頑健性と最適性を示す。
• 両手法とも、特に高SNR領域において、広範なチャネル設定で秘匿性レートを著しく向上させる。
• 長期間の伝送ブロックを用いることで、低出力リレーに対してもスケーラブルであり、$ P_R < P_A $ の場合でも信頼性の高い通信を保証する。