[論文レビュー] The Gaussian multiple access wire-tap channel: wireless secrecy and cooperative jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|Feb 9, 2007

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用数 16

ひとこと要約

本稿はガウス型マルチアクセス・ワイヤータップチャネルを研究し、無線セキュリティにおけるユーザーの信頼度をモデル化するため、個別および集団的セキュリティ制約を提案する。ガウス型コードブックを用いて達成可能なセキュリティ速率領域を導出し、劣化された盗聴者状態下での和容量を証明するとともに、協力ジャミングがセキュリティ速率を向上させることを示し、ラグランジュ最適化を用いて和速率最大化のための最適な電力割り当てを導出する。

ABSTRACT

We consider the General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT). In this scenario, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an intelligent and informed eavesdropper. We define two suitable secrecy measures, termed individual and collective, to reflect the confidence in the system for this multi-access environment. We determine achievable rates such that secrecy to some pre-determined degree can be maintained, using Gaussian codebooks. We also find outer bounds for the case when the eavesdropper receives a degraded version of the intended receiver's signal. In the degraded case, Gaussian codewords are shown to achieve the sum capacity for collective constraints. In addition, a TDMA scheme is shown to also achieve sum capacity for both sets of constraints. Numerical results showing the new rate region are presented and compared with the capacity region of the Gaussian Multiple-Access Channel (GMAC) with no secrecy constraints. We then find the secrecy sum-rate maximizing power allocations for the transmitters, and show that a cooperative jamming scheme can be used to increase achievable rates in this scenario.

研究の動機と目的

• 盗聴者が意図した受信者の信号の劣化版を観測するマルチユーザー無線通信システムにおけるセキュリティをモデル化・分析すること。
• ユーザー集団のセキュリティに対する異なる信頼度を反映する2つのセキュリティ指標（個別および集団的制約）を定義・分析すること。
• ガウス型コードブックを用いて、劣化盗聴者状態下におけるマルチアクセス・ワイヤータップチャネルの達成可能なセキュリティ速率領域を導出し、外挙動を確立すること。
• 両方のセキュリティ制約下での和容量を特定し、劣化状態においてガウス信号がそれを達成することを示すこと。
• 個別制約下でのセキュリティ和速率最大化のための電力割り当てを最適化し、協力ジャミングを用いて達成可能な速率を向上させる方法を調査すること。

提案手法

• 盗聴者の観測と他のユーザーのコードワードを条件としたメッセージの正規化エントロピーに基づき、個別および集団的セキュリティ制約を導入する。
• ガウス型コードブックを用いて、両方のセキュリティ制約下でのマルチアクセス・ワイヤータップチャネルにおける達成可能な速率領域を導出する。
• 盗聴者が意図した受信者の信号の劣化版を受信する状況における外挙動を確立する。
• 劣化盗聴者状態下で、ガウス信号が両方の個別および集団的制約下での和容量を達成することを証明する。
• ラグランジュ最適化を適用して、個別制約下でのセキュリティ和速率最大化のための最適な電力割り当てを導出する。
• 1つの送信者が意図的に人工雑音を送信して盗聴者のチャネルを劣化させる協力ジャミング方式を提案し、ジャミング信号がセキュリティ速率に与える影響を組み込んだ修正ラグランジュ法により、電力割り当てを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガウス型マルチアクセス・ワイヤータップチャネルにおける個別および集団的セキュリティ制約下での達成可能なセキュリティ速率領域は何か？
• RQ2 盗聴者のチャネルが劣化している場合、両方のセキュリティ制約下でガウス信号が和容量を達成するか？
• RQ3 個別制約下でのセキュリティ和速率最大化のための電力割り当てはどのように最適化できるか？
• RQ4 協力ジャミングはこのマルチアクセス環境で達成可能なセキュリティ速率を向上させることができるか？
• RQ5 協力ジャミングが有益となる条件は何か？また、情報信号と人工雑音の送信のための電力割り当てはどのように行うべきか？

主な発見

• 盗聴者のチャネルが劣化している場合、個別および集団的セキュリティ制約の両方において和容量が達成され、それはメインチャネル容量と盗聴者チャネル容量の差に等しい。
• 劣化盗聴者状態下でガウス型コードブックが両方のセキュリティ制約下での和容量を達成することを確認し、この設定においてガウス信号の最適性を裏付けた。
• 時分割多重アクセス（TDMA）方式も、両方の制約下で和容量を達成でき、代替的な送信戦略を提供する。
• 個別制約下でのセキュリティ和速率最大化のための最適電力割り当ては、ラグランジュ緩和法を用いて導出され、そのチャネル利得がセキュリティ速率を上回る場合、より強いユーザーに電力を割り当てる。
• 協力ジャミングはセキュリティ速率を顕著に向上させ、ジャミング信号の影響を考慮した修正ラグランジュ法により、ジャマーの最適ジャミング電力が導出された。
• ジャマーのチャネルが意図した受信者のチャネルよりも強い場合に限り、最適ジャミング電力は非ゼロとなり、電力割り当ては相対的なチャネル利得とセキュリティ速率に依存する。