[논문 리뷰] Covert Communication in Wireless Relay Networks

Jinsong Hu, Shihao Yan외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 17.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원방향 리레이트 네트워크에서 리레이트 노드가 소스의 메시지를 전달하는 동안 자신의 데이터를 비밀리에 목적지로 전송하는 코어트 커뮤니케이션을 조사한다. 여기서 소스는 이러한 비허가 전송를 탐지하기 위해 감시자 역할을 한다. 연구는 탐지되지 않는 전송를 위한 필수 조건을 유도하고, 리레이트의 전송 전력 증가가 코어트 전송률을 높임으로써 탐지 제약 조건 하에서 리레이팅 성능과 코어트 커뮤니케이션 능력 사이의 트레이드오프를 드러낸다.

ABSTRACT

Covert communication aims to shield the very existence of wireless transmissions in order to guarantee a strong security in wireless networks. In this work, for the first time we examine the possibility and achievable performance of covert communication in one-way relay networks. Specifically, the relay opportunistically transmits its own information to the destination covertly on top of forwarding the source's message, while the source tries to detect this covert transmission to discover the illegitimate usage of the recourse (e.g., power, spectrum) allocated only for the purpose of forwarding source's information. The necessary condition that the relay can transmit covertly without being detected is identified and the source's detection limit is derived in terms of the false alarm and miss detection rates. Our analysis indicates that boosting the forwarding ability of the relay (e.g., increasing its maximum transmit power) also increases its capacity to perform the covert communication in terms of achieving a higher effective covert rate subject to some specific requirement on the source's detection performance.

연구 동기 및 목표

• 원방향 리레이트 네트워크에서 리레이트가 소스의 메시지를 전달하는 동안 자신의 데이터를 비밀리에 전송할 수 있는지의 가능성을 분석하기.
• 소스가 감시자 역할을 하므로 리레이트의 코어트 전송가 탐지되지 않도록 하는 필수 조건을 규명하기.
• 소스의 탐지 성능을 잘못 경고 및 빠짐 탐지 확률로 기술한 탐지 한계를 도출하기.
• 소스의 탐지 성능 제약 조건 하에서 달성 가능한 유효 코어트 전송률을 정량화하기.
• 리레이트의 소스 전송 지원 능력과 코어트 커뮤니케이션 능력 사이의 트레이드오프를 드러내기.

제안 방법

• 시스템 모델은 복소 가우시안 채널 계수들이 서로 독립적이고 동일하게 분포된(i.i.d.) 레이일레이히 fading 채널에서 반이중성 리레이팅을 가정한다.
• 리레이트는 앰플리파이 앤 포워드 리레이팅을 수행하고, 두 번째 단계 동안 자신의 정보를 목적지로 기회적으로 전송한다.
• 소스는 리레이트의 코어트 전송를 탐지하기 위해 우도 비율 검정을 사용하며, 임계값 기반 탐지 방식을 적용한다.
• 탐지 성능은 잘못 경고 확률과 빠짐 탐지 확률을 합친 총 오류 확률로 기술된다.
• 코어트 전송가 가능해지는 조건(즉, 탐지가 보장되지 않는 조건)을 유도하고, 전송 전력과 채널 조건에 따라 유효 코어트 전송률을 함수로 계산한다.
• 탐지 오류율이 임계값(1−ε)을 초과해야 하므로, 탐지되지 않을 확률이 비영일 수 있도록 제약 조건 하에서 리레이트의 최적 전송 전력을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원방향 리레이트 네트워크에서 리레이트가 소스에 의해 탐지되지 않고 비밀리에 전송할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ2 리레이트가 코어트 커뮤니케이션을 尝시할 때 소스의 잘못 경고 및 빠짐 탐지 확률로 표현된 탐지 한계는 무엇인가?
• RQ3 리레이트의 최대 전송 전력이 소스의 전송 지원을 계속하면서도 코어트 커뮤니케이션 능력에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 소스의 탐지 성능 제약 조건 하에서 달성 가능한 최대 유효 코어트 전송률은 무엇인가?
• RQ5 소스와 리레이트 사이의 채널 이득이 코어트 커뮤니케이션의 가능성과 전송률에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 리레이트의 전송 전력이 탐지 오류율이 비영리 값 이상을 유지할 수 있도록 보장하는 임계값 이하일 경우, 원방향 리레이트 네트워크에서 코어트 커뮤니케이션이 가능하다.
• 최소 총 오류율 ξ∗는 코어트 전송 전력 PΔ 증가에 따라 단조 감소하므로, 높은 전력은 코어트 전송를 더 쉽게 탐지하게 만든다.
• 허용 가능한 최대 코어트 전송 전력 PΔε는 상한 PΔu보다 현저히 작으며, 실용적인 값에서는 탐지 방지를 위해 ξ∗ ≥ 0.5 여야 한다.
• 유효 코어트 전송률 R̄c는 |h_sr|² 증가함에 따라 증가한다. 이는 강한 소스-리레이트 링크가 리레이트가 탐지 제약 조건을 위반하지 않고 코어트 전송를 수행할 확률을 높이기 때문이다.
• 리레이트의 소스 전송 지원 능력(높은 전력으로)과 코어트 커뮤니케이션 능력 사이에 트레이드오프가 존재한다. 높은 전력은 탐지 가능성 증가를 초래하기 때문이다.
• 제약 조건 ξ∗ ≥ 1−ε 하에서 최적의 PΔ는 탍역 영역이 축소되어 있어 효율적으로 탐색할 수 있으며, 특히 PΔε가 PΔu보다 훨씬 작을 경우 더욱 그렇다.