[논문 리뷰] Covert Wireless Communication with a Poisson Field of Interferers

Biao He, Shihao Yan외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 19.

Wireless Communication Security Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 포아송 분포의 간섭자 집합이 있는 네트워크에서의 암시적 무선 통신을 연구한다. 간섭이 제한적인 영역에서는 암시적 스루풋이 간섭자의 밀도와 전송 전력에 영향을 받지 않음을 보여주지만, 간섭이 낮고 노이즈와 유사할 경우 간섭자 밀도나 전력 증가가 암시적 스루풋을 향상시키며, 간섭 대 노이즈 비율에 의해 지배되는 비단조화적인 상호보완 관계를 드러낸다.

ABSTRACT

In this paper, we study covert communication in wireless networks consisting of a transmitter, Alice, an intended receiver, Bob, a warden, Willie, and a Poisson field of interferers. Bob and Willie are subject to uncertain shot noise due to the ambient signals from interferers in the network. With the aid of stochastic geometry, we analyze the throughput of the covert communication between Alice and Bob subject to given requirements on the covertness against Willie and the reliability of decoding at Bob. We consider non-fading and fading channels. We analytically obtain interesting findings on the impacts of the density and the transmit power of the concurrent interferers on the covert throughput. That is, the density and the transmit power of the interferers have no impact on the covert throughput as long as the network stays in the interference-limited regime, for both the non-fading and the fading cases. When the interference is sufficiently small and comparable with the receiver noise, the covert throughput increases as the density or the transmit power of the concurrent interferers increases.

연구 동기 및 목표

• 포아송 간섭자 집합이 있는 무선 네트워크에서의 암시적 통신 스루풋을 분석하기.
• 간섭자 밀도와 전송 전력이 은밀함과 신뢰성에 미치는 영향을 조사하기.
• 감시자에 의해 탐지될 수 있음에도 불구하고 양의 암시적 스루풋을 달성할 수 있는 조건을 규명하기.
• 샷 노이즈와 스토하스틱 기하학을 사용하여 무작위 간섭자가 윌리의 탐지 성능에 미치는 영향을 모델링하기.
• 간섭이 제한적인 영역과 노이즈가 제한적인 영역에서 암시적 스루풋에 대한 분석적 경계 유도하기.

제안 방법

• 무작위 간섭자를 나타내기 위해 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)를 사용하여 네트워크 모델링.
• 보브(수신자)와 윌리(감시자)에서의 집합 간섭을 쇼트 노이즈로 모델링.
• 스토하스틱 기하학을 적용하여 암시적 확률과 연결 장애 확률의 평균 유도.
• 감지 지표의 준볼록 최적화를 사용하여 윌리 수신기에서의 최적 감지 임계값 유도.
• fading이 없는 채널과 fading이 있는 채널을 모두 분석하며, 레이일리 페이딩 하에서 스루풋에 대한 닫힌 형태의 표현식 제공.
• 제곱근 법칙을 기준선으로 삼고, 무작위 간섭자를 포함한 간섭이 제한적인 상황으로 확장.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭자 밀도가 무선 네트워크에서 최대 달성 가능한 암시적 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 간섭이 제한적인 환경에서 간섭자 전송 전력이 은밀함과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간섭이 수신기 노이즈와 유사할 경우, 양의 암시적 스루풋을 달성할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 포아송 분포의 간섭자 존재가 낮은 간섭 환경에 비해 더 높은 암시적 스루풋을 가능하게 하는가?
• RQ5 fading 채널과 fading이 없는 채널은 암시적 통신 성능에 어떤 차이를 미치는가?

주요 결과

• 간섭이 제한적인 영역에서는 비 fading 채널과 fading 채널 모두에서 암시적 스루풋이 간섭자 밀도와 전송 전력에 영향을 받지 않는다.
• 간섭이 낮고 수신기 노이즈와 유사할 경우 간섭자 밀도나 전송 전력을 증가시키면 암시적 스루풋이 증가한다.
• 윌리 수신기에서 최적 감지 임계값은 감지 지표의 준볼록 최적화를 통해 유도된다.
• 윌리의 감지 임계값이 준볼록 함수의 해로 설정될 경우 평균 암시적 확률이 최대화되며, 이는 최적의 감지 성능을 보장한다.
• 시스템이 노이즈가 제한적인 영역에서 간섭이 제한적인 영역으로 전이될 경우 간섭자 밀도와 전력 증가에 따라 스루풋이 증가한다.
• 결과는 무작위 간섭자가 간섭이 강해져 감시자가 신호를 가림으로써 자연스러운 커버 역할을 할 수 있음을 보여주며, 특히 간섭이 강할 경우 효과적이다.