[論文レビュー] The General Gaussian Multiple Access and Two-Way Wire-Tap Channels: Achievable Rates and Cooperative Jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|Feb 20, 2007

Wireless Communication Security Techniques参考文献 28被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、一般ガウス複数アクセス盗聴チャネル（GGMAC-WT）およびガウス双方向盗聴チャネル（GTW-WT）における協調ジャミング方式を提案し、セキュリティレートを向上させる。正当なチャネルが強いユーザーが送信し、他のユーザーが盗聴者をジャミングするようにパワーを戦略的に割り当てることで、システムはより高いセキュリティ合計レートを達成し、個々のユーザーが安全に通信できない場合でも、ユーザー間の協力によって正のセキュリティレートを実現できることを示している。

ABSTRACT

The General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT) and the Gaussian Two-Way Wire-Tap Channel (GTW-WT) are considered. In the GGMAC-WT, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an eavesdropper who receives their signals through another GMAC. In the GTW-WT, two users communicate with each other over a common Gaussian channel, with an eavesdropper listening through a GMAC. A secrecy measure that is suitable for this multi-terminal environment is defined, and achievable secrecy rate regions are found for both channels. For both cases, the power allocations maximizing the achievable secrecy sum-rate are determined. It is seen that the optimum policy may prevent some terminals from transmission in order to preserve the secrecy of the system. Inspired by this construct, a new scheme, \ital{cooperative jamming}, is proposed, where users who are prevented from transmitting according to the secrecy sum-rate maximizing power allocation policy "jam" the eavesdropper, thereby helping the remaining users. This scheme is shown to increase the achievable secrecy sum-rate. Overall, our results show that in multiple-access scenarios, users can help each other to collectively achieve positive secrecy rates. In other words, cooperation among users can be invaluable for achieving secrecy for the system.

研究の動機と目的

• 外部の盗聴者を伴うマルチターミナルガウスチャネルにおける適切なセキュリティ指標の定義。
• このセキュリティ指標に基づく、GGMAC-WTおよびGTW-WTの実現可能なセキュリティレート領域の導出。
• 両チャネルモデルにおけるセキュリティ合計レートを最大化する最適パワー割り当ての特定。
• 送信を行わないユーザーが盗聴者を積極的に妨害することでセキュリティを向上させる協調ジャミング方式の導入と分析。
• 正当なユーザー間の協力が、個々のユーザーがゼロのシングルユーザー・セキュリティ容量を持つ場合でさえ、正のセキュリティレートを可能にできることの証明。

提案手法

• 情報漏洩量を定量化するために、正規化された条件付きエントロピーに基づくセキュリティ指標を形式化。
• 構造化符号化とパワー割り当て戦略を用いて、GGMAC-WTおよびGTW-WTの両方の実現可能なセキュリティレート領域を導出。
• 最適パワー割り当てポリシーを同定：正当な受信者へのチャネル比が優れているユーザーのみが送信し、フルパワーを使用。
• 直接チャネルが悪いユーザーが、受信者の受信を損なわないように人工ノイズを送信して盗聴者の受信を劣化させる協調ジャミングを提案。
• 固定パスロス伝搬モデルを用いて、盗聴者の位置がセキュリティレートに与える影響を分析。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまな盗聴者位置におけるセキュリティ合計レートとジャミング効果を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の盗聴者を伴うマルチユーザー・ガウスチャネルにおける適切なセキュリティ指標は何か？
• RQ2 実用的なパワー制約下で、GGMAC-WTおよびGTW-WTにおけるセキュリティ合計レートをどのように最大化できるか？
• RQ3 何らかの送信機を無効化することがシステムのセキュリティを保つために最適となる条件は何か？
• RQ4 協調ジャミングは、複数アクセスおよび双方向盗聴チャネルにおいて、実現可能なセキュリティレートを顕著に向上させ得るか？
• RQ5 双方向チャネルの送信信号の知識の相互性は、複数アクセス状況と比較して、セキュリティをどのように向上させるか？

主な発見

• セキュリティ合計レートは、意図した受信者へのチャネルが盗聴者に対して強く（相対的に）あるユーザーのみがフルパワーで送信する場合に最大化される。
• GTW-WTでは、盗聴者がシングルユーザー復元によって信号を復元できない限り、両端局が最大パワーで送信可能である。
• 協調ジャミングは、特に盗聴者が正当な受信者よりも高いSNRを持つ場合に、実現可能なセキュリティ合計レートを顕著に向上させる。
• GGMAC-WTでは、盗聴者が送信機に近い場合、その送信機は送信を停止するが、代わりに盗聴者をジャミングするために使用され、他のユーザーがより高いセキュリティレートを達成できる。
• ジャミング信号が正当な受信者に干渉しないため、GTW-WTはGGMAC-WTよりも協調ジャミングの恩恵をより大きく受ける。
• GGMAC-WTの劣化ケースでは、実現可能なセキュリティ合計レートと上界が一致し、その特殊ケースにおけるセキュリティ合計容量が確立される。