[논문 리뷰] Physical Layer Security for Two-Way Untrusted Relaying with Friendly Jammers

Rongqing Zhang, Lingyang song Zhu Han외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 17.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 31인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 친화적 잡음 방출기를 갖춘 이중 방향 신뢰할 수 없는 릴레이 네트워크에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 스태일베르크 게임 기반의 전력 제어 기법을 제안한다. 소스를 구매자로, 잡음 방출기를 판매자로 모델링함으로써, 간섭 전력과 가격을 최적화하여 비밀성 전송률을 극대화하고, 중심화된 성능에 가까운 분산 방식의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a two-way relay network where two sources can communicate only through an untrusted intermediate relay, and investigate the physical layer security issue of this two-way relay scenario. Specifically, we treat the intermediate relay as an eavesdropper from which the information transmitted by the sources needs to be kept secret, despite the fact that its cooperation in relaying this information is essential. We indicate that a non-zero secrecy rate is indeed achievable in this two-way relay network even without external friendly jammers. As for the system with friendly jammers, after further analysis, we can obtain that the secrecy rate of the sources can be effectively improved by utilizing proper jamming power from the friendly jammers. Then, we formulate a Stackelberg game model between the sources and the friendly jammers as a power control scheme to achieve the optimized secrecy rate of the sources, in which the sources are treated as the sole buyer and the friendly jammers are the sellers. In addition, the optimal solutions of the jamming power and the asking prices are given and a distributed updating algorithm to obtain the Stakelberg equilibrium is provided for the proposed game. Finally, the simulations results verify the properties and the efficiency of the proposed Stackelberg game based scheme.

연구 동기 및 목표

• 릴레이가 신뢰할 수 없고 소스 간 통신을 도청할 수 있는 이중 방향 릴레이 네트워크에서 물리계층 보안 문제를 해결한다.
• 외부 잡음 방출기가 없는 이중 방향 릴레이 시스템에서 비영제 비밀성 전송률이 달성 가능한지 조사한다.
• 신뢰할 수 없는 릴레이를 혼란스럽게 하기 위해 인공 잡음을 방출하는 친화적 잡음 방출기를 사용하여 비밀성 전송률을 향상시킨다.
• 소스와 친화적 잡음 방출기 간의 분산적, 게임 이론 기반 전력 제어 기법을 개발하여 비밀성 성능을 최적화한다.
• 다양한 수의 친화적 잡음 방출기와 그 효과성에 따라 유연하게 적응 가능한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 소스를 리더(간섭 서비스의 구매자)로, 친화적 잡음 방출기를 팔자(간섭 전력의 판매자)로 하는 스태일베르크 게임을 수립한다.
• 소스의 유틸리티를 비밀성 전송률 향상과 간섭 비용의 차이로 모델링하며, 간섭 전력과 가격을 결정 변수로 사용한다.
• 게임 이론적 최적화를 통해 최적 간섭 전력과 균형 가격에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 중앙 집중식 조율 없이도 스태일베르크 균형에 수렴하는 분산 반복 알고리즘을 제안한다.
• 실용적 타당성을 확보하기 위해 채널 상태 정보와 전력 제약 조건을 게임 모델에 통합한다.
• 두 가지 시나리오에서 성능을 평가한다: 최소한 하나의 매우 효과적인 간섭 방출기가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 친화적 잡음 방출기가 없는 이중 방향 신뢰할 수 없는 릴레이 네트워크에서 비영제 비밀성 전송률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 친화적 잡음 방출기를 포함할 경우, 이러한 네트워크에서의 비밀성 전송률은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 합리적인 가격 책정 조건 하에서 비밀성 전송률을 극대화하기 위해 친화적 잡음 방출기의 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 친화적 잡음 방출기의 수가 최적 비밀성 전송률에 미치는 영향은 어떠한가, 특히 단일 잡음 방출기가 매우 효과적이지 않은 경우에 대해 설명하라.
• RQ5 분산적 스태일베르크 게임 솔루션의 성능은 중심화된 최적 솔루션에 비해 얼마나 가까운가?

주요 결과

• 친화적 잡음 방출기가 없는 이중 방향 신뢰할 수 없는 릴레이 네트워크에서도 비영제 비밀성 전송률을 달성할 수 있으며, 이는 고유한 물리계층 보안 잠재력을 보여준다.
• 친화적 잡음 방출기를 도입하면 비밀성 전송률을 크게 향상시킬 수 있으며, 최적 간섭 전력 할당이 가장 높은 성능 향상을 이끈다.
• 잡음 방출기가 매우 효과적인 경우, 소스는 이용 가능한 잡음 방출기의 수에 관계없이 항상 가장 효과적인 단일 잡음 방출기로부터 서비스를 구매한다.
• 충분히 효과적인 잡음 방출기가 없는 경우, 잡음 방출기의 수를 늘릴수록 최적 비밀성 전송률은 최대치에 도달할 수 있으며, 이는 채널 조건과 전력 제약 조건에 의해 제한된다.
• 분산적 스태일베르크 게임 솔루션은 특히 비밀성 전송률 향상 요인(게인 요소)이 클 경우 중심화된 최적 솔루션에 매우 가까운 성능을 보인다.
• 가격 책정에 상호 보완적인 트레이드오프가 존재한다: 만약 잡음 방출기가 너무 높은 가격을 책정하면 소스는 더 경제적인 대안으로 전환하여 시장 효율성이 유지된다.