[論文レビュー] Wireless Surveillance of Two-Hop Communications

Ganggang Ma, Jie Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Wireless Communication Security TechniquesEngineering参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、2ホップの不審な通信を対象とした半二重モード無線監視フレームワークを提案する。正当な監視者が、受動的盗聴、最初のホップにおけるノイズジャミング、または2番目のホップにおけるハイブリッドジャミングのうち、適応的に選択することで盗聴レートを最大化する。モード選択とジャミングパワーを共同最適化することにより、特に低SINR環境において、個別のモードよりも顕著に優れた性能を達成する。

ABSTRACT

Wireless surveillance is becoming increasingly important to protect the public security by legitimately eavesdropping suspicious wireless communications. This paper studies the wireless surveillance of a two-hop suspicious communication link by a half-duplex legitimate monitor. By exploring the suspicious link's two-hop nature, the monitor can adaptively choose among the following three eavesdropping modes to improve the eavesdropping performance: (I) \emph{passive eavesdropping} to intercept both hops to decode the message collectively, (II) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{noise jamming}} over the first hop, and (III) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{hybrid jamming}} over the second hop. In both proactive eavesdropping modes, the (noise/hybrid) jamming over one hop is for the purpose of reducing the end-to-end communication rate of the suspicious link and accordingly making the interception more easily over the other hop. Under this setup, we maximize the eavesdropping rate at the monitor by jointly optimizing the eavesdropping mode selection as well as the transmit power for noise and hybrid jamming. Numerical results show that the eavesdropping mode selection significantly improves the eavesdropping rate as compared to each individual eavesdropping mode.

研究の動機と目的

• 監視者が送信元から離れている場合に、2ホップの不審な通信に対する効果的な盗聴を実現すること。
• チャネル利得が低い状況における受動的盗聴の限界を、能動的ジャミング戦略を活用することで克服すること。
• フルデュプレックスの自己干渉キャンセレーションやメッセージ転送のハードウェア複雑性を回避する半二重監視システムの設計。
• 盗聴モード選択と送信パワー割り当ての共同最適化を通じて、盗聴レートを最大化すること。
• 不審リンクのマルチホップ特性を活用し、改善された傍受性能を実現する実用的な監視ソリューションの提供。

提案手法

• 監視者は半二重モードで動作し、3つの盗聴モード（両ホップでの受動的盗聴、最初のホップでのノイズジャミング、2番目のホップでのハイブリッドジャミング）のうち適応的に選択可能である。
• 受動的盗聴（モード I）では、最大比合成（MRC）を用いて両ホップからの信号を結合し、信号検出を向上させる。
• ノイズジャミングによる能動的盗聴（モード II）では、監視者が最初のホップに人工ノイズを送信し、ボブのSINRを低下させ、エンドツーエンドレートを低下させる。
• ハイブリッドジャミングによる能動的盗聴（モード III）では、アリスから盗み聞きした信号に人工ノイズを重畳して送信し、ボブで破壊的干渉を引き起こす。
• 盗聴モード選択とジャミングパワー割り当てを共同最適化するための統一最適化フレームワークを用いて、盗聴レートを最大化する。
• 最適化問題は凸緩和と1階微分解析を用いて解かれ、最適なパワー割り当ておよびビームフォーミング係数の閉形式表現が導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的盗聴と能動的盗聴の性能は、2ホップの無線監視においてどのように比較されるか？
• RQ2 最初のホップでのノイズジャミングまたは2番目のホップでのハイブリッドジャミングが受動的盗聴を上回る条件は何か？
• RQ3 監視者のアリスおよびボブからの相対的位置が、最適な盗聴モード選択に与える影響は何か？
• RQ4 パスロスおよび fading の影響は、2ホップ監視設定における盗聴レートとモード選択にどのように影響するか？
• RQ5 モード選択とジャミングパワーの共同最適化は、固定モード戦略と比較して、盗聴性能を顕著に向上させるか？

主な発見

• 提案された盗聴モード選択とジャミングパワー割り当ての共同最適化は、いかなる個別モードよりも顕著に高い盗聴レートを達成する。
• 監視者がアリスまたはリレーよりも近い場合、両ホップの信号利得の合計がエンドツーエンドの不審リンクレートを超える限り、受動的盗聴（モード I）が最適となる。
• 受動的盗聴が失敗する低SINR環境では、監視者がアリスに近い場合はモード II（最初のホップでのノイズジャミング）を選択し、ボブに近い場合はモード III（2番目のホップでのハイブリッドジャミング）を選択する。
• レイリー fading レーンで得られた数値結果から、適応的モード選択方式は固定モードアプローチよりも高い平均盗聴レートを達成しており、10,000回のチャネル実現で性能向上が確認された。
• 最適ビームフォーミング係数およびジャミングパワー割り当てが閉形式で導出されたため、反復的手法を用いずに効率的な実装が可能である。
• 半二重設計により、複雑な自己干渉キャンセレーションやリアルタイムのメッセージ転送の必要がなくなり、従来のフルデュプレックス手法よりも実用的である。