[論文レビュー] The Sound and the Fury: Hiding Communications in Noisy Wireless Networks with Interference Uncertainty

Zhihong Liu, Jiajia Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、雑音が存在する無線ネットワークにおいて、干渉の不確実性がアリスがボブに秘密に通信する能力を高めることを提案する。他の送信機からの予測不能な干渉を活用することで、アリスは $n$ 回のチャネル利用において $ olimits\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$ ビットの信頼性の高いコベット通信を実現する。これは、伝統的な平方根則に比べて空間スループットが優れているが、通信レートは低いため、混雑で動的なネットワークにおける検出可能性の低減に起因する。

ABSTRACT

Covert communication can prevent the adversary from knowing that a wireless transmission has occurred. In the additive white Gaussian noise channels, a square root law is obtained and the result shows that Alice can reliably and covertly transmit $\mathcal{O}(\sqrt{n})$ bits to Bob in $n$ channel uses. If additional "friendly" node near the adversary can inject artificial noise to aid Alice in hiding her transmission attempt, covert throughput can be improved, i.e., Alice can covertly transmit $\mathcal{O}(\min\{n,λ^{α/2}\sqrt{n}\})$ bits to Bob over $n$ uses of the channel ($λ$ is the density of friendly nodes and $α$ is the path loss exponent of wireless channels). In this paper, we consider the covert communication in a noisy wireless network, where Bob and the adversary Willie not only experience the background noise, but also the aggregated interference from other transmitters. Our results show that uncertainty in interference experienced by Willie is beneficial to Alice. When the distance between Alice and Willie $d_{a,w}=ω(n^{δ/4})$ ($δ=2/α$ is stability exponent), Alice can reliably and covertly transmit $\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$ bits to Bob in $n$ channel uses. Although the covert throughput is lower than the square root law and the friendly jamming scheme, the spatial throughput is higher. From the network perspective, the communications are hidden in "the sound and the fury" of noisy wireless networks, and what Willie sees is merely a "shadow" wireless network. He knows for certain that some nodes are transmitting, but he cannot catch anyone red-handed.

研究の動機と目的

• 従来のノイズベースのカバレッジが不十分な無線ネットワークにおけるコベット通信の検出の挑戦に対処すること。
• ウォーリー（監視者）が経験する干渉の不確実性が、コベット通信の性能を向上させうるかを調査すること。
• 干渉制限付き無線ネットワークにおけるコベットスループットと空間効率のトレードオフを分析すること。
• ネットワークレベルの干渉ダイナミクスが、コベット通信の自然なカモフラージュとして機能できることを示すこと。

提案手法

• 送信機がポアソン点過程として分布する確率的幾何学的モデルを用いて無線ネットワークをモデル化すること。
• 集約干渉電力がランダムかつ予測不能であるという干渉の不確実性下で、ウォーリーの検出性能を分析すること。
• ウォーリーのエネルギー検出器が閾値を超える確率を抑え、コベットスループットを導出すること。
• 検出誤差のスケーリングを特徴付けるために、安定性指数 $\delta = 2/\alpha$（$\alpha$ はパスロス指数）を用いること。
• 平方根則をベンチマークとして用い、干渉の不確実性下での性能を比較すること。
• 検出確率を最小限に抑えるために、スロースタート／スローストップや最適スロット割り当てなどの送信スケジューリング戦略を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線ネットワークにおける干渉の不確実性が、通信の信頼性とコベット性を向上させうるか？
• RQ2 送信機の空間的分布が、ウォーリーによるアリスの送信検出能力に与える影響は何か？
• RQ3 干渉が予測不能ではあるが存在する場合の、コベットスループットの根本的限界は何か？
• RQ4 干渉の不確実性は、背景ノイズの不確実性やフレンドリージャンプングに比べ、空間スループットにおいてどのように比較されるか？

主な発見

• 距離 $d_{a,w} = \omega(n^{\delta/4})$ で、干渉の不確実性が存在する場合、アリスは $n$ 回のチャネル利用において、ボブに $ olimits\mathcal{O}(\log_2\sqrt{n})$ ビットを信頼性高くかつ秘密に送信できる。
• 干渉の不確実性下でのコベットスループットは、平方根則（$ olimits\mathcal{O}(\sqrt{n})$）およびフレンドリージャンプング（$ olimits\mathcal{O}(\min\{n, \lambda^{\alpha/2}\sqrt{n}\})$）に比べて低いが、$n \to \infty$ のとき空間スループットがより高い。
• 干渉の不確実性はウォーリーの検出能力を顕著に低下させ、特に複数の送信機が同時に動作している場合、ノイズと信号の区別が困難になる。
• スロースタートおよびスローストップの送信スケジューリングを用いることで、遷移段階におけるウォーリーのサンプルの信号対雑音比を最小限に抑え、検出確率が低下する。
• ウォーリーが移動性やネットワークの複雑さのため最も近い送信機を特定できない場合、検出は信頼性が低下し、コベット性が向上する。
• ネットワークは「影の」無線環境として機能する：送信はノイズと干渉に埋もれ、すべての送信源の正確な知識がなければ検出はほぼ不可能になる。