[논문 리뷰] Pilot-Based Channel Estimation Design in Covert Wireless Communication

Tingzhen Xu, Linlin Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 01.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 23인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 도용자 감지 성능을 최소화하기 위해 등가 전력 할당을 통한 피LOT 기반 채널 추정 설계를 제안하며, 커버트네스 제약 조건이 더욱 엄격해질수록 최적의 피LOT 전용 시간 수가 증가하여 유한 블록길이 조건 하에서 효과적 SINR를 최대화함을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, for the first time, we tackle channel estimation design with pilots in the context of covert wireless communication. Specifically, we consider Rayleigh fading for the communication channel from a transmitter to a receiver and additive white Gaussian noise (AWGN) for the detection channel from the transmitter to a warden. Before transmitting information signals, the transmitter has to send pilots to enable channel estimation at the receiver. Using a lower bound on the detection error probability, we first prove that transmitting pilot and information signals with equal power can minimize the detection performance at the warden, which is confirmed by the minimum detection error probability achieved by the optimal detector based on likelihood ratio test. This motivates us to consider the equal transmit power in the channel estimation and then optimize channel use allocation between pilot and information signals in covert wireless communication. Our analysis shows that the optimal number of the channel uses allocated to pilots increases as the covertness constraint becomes tighter. In addition, our examination shows that the optimal percentage of all the available channel uses allocated to channel estimation decreases as the total number of channel uses increases.

연구 동기 및 목표

• 유한 블록길이 제약 조건 하에서 코베이트 무선 통신에서 채널 추정 설계의 부족을 해결하기 위해.
• 피LOT 신호와 정보 신호의 전력 할당 방식이 윌리의 감지 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 커버트네스를 유지하면서 통신 신뢰성을 극대화하기 위해 채널 사용 시간을 피롯과 정보 신호 간에 최적화하기 위해.
• 커버트네스 제약 조건 하에서 피LOT 신호에 할당된 최적의 채널 사용 시간 수를 분석적으로 유도하기 위해.

제안 방법

• 윌리(감시자)의 최소 감지 오류 확률에 하한을 도출하기 위해 쿨백-라이블러(KL) 발산을 사용함.
• 피롯과 정보 신호에 동일한 전송 전력이 윌리의 감지 성능을 최소화함을 증명하며, 가능도 비율 테스트 분석을 통해 확인함.
• 커버트네스 제약 조건 하에서 효과적 신호대간섭비플러스노이즈비(SINR)를 최대화하는 데 최적의 채널 사용 시간 수인 $ n_p^* $를 유도함.
• 채널 추정 정확도와 커버트네스 사이의 트레이드오프를 $ n_p $와 $ \epsilon $, 즉 커버트네스 파라미터를 변화시켜 분석함.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하여 분석적 최적값 $ n_p^* $와 수치적 최적값이 정확히 일치함을 보임.
• 앨리스-밥 링크에 레이일라이히 fading을, 앨리스-윌리 감지 링크에 가우시안 복합 가우시안 잡음(AWGN)을 적용하며, 블록길이가 유한하다는 가정을 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피롯과 정보 신호 간의 비등가 전력 할당이 윌리의 감지 성능을 향상시켜 커버트네스를 악화시키는가?
• RQ2 커버트네스 제약 조건을 만족하면서 효과적 SINR를 최대화하는 데 최적의 피롯 전용 채널 사용 시간 수는 얼마인가?
• RQ3 최적의 피롯 자원 할당은 커버트네스 요구 수준과 총 채널 사용 시간에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 피롯과 정보 신호에 동일한 전력 할당이 코베이트 통신에서 윌리의 감지 오류 확률을 최소화할 수 있는가?
• RQ5 총 채널 사용 시간이 증가함에 따라 피롯 대 총 채널 사용 시간 비율은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 피롯과 정보 신호에 동일한 전송 전력을 할당할 경우 윌리의 감지 오류 확률이 최소화되며, KL 발산 하한과 최적 가능도 비율 테스트 모두에서 이를 확인함.
• 커버트네스 제약 조건이 더욱 엄격해질수록(즉, $ \epsilon $ 가 감소할수록) 최적의 피롯 전용 채널 사용 시간 수인 $ n_p^* $ 는 증가함.
• 총 채널 사용 시간 $ n $ 이 증가함에 따라 비율 $ n_p^* / n $ 이 감소함을 보여, 대규모 블록길이 영역에서는 채널 추정 오버헤드가 점점 감소함.
• 수치 결과는 분석적 해 $ n_p^* $ 가 수치 최적화 결과와 정확히 일치함을 확인하여 유도된 식의 타당성을 검증함.
• 최대 효과적 SINR 는 $ \epsilon $ 가 감소함에 따라 크게 악화됨을 확인하여, 커버트네스가 코베이트 시스템에서 주요 성능 제약 요소임을 입증함.
• 최적의 피롯 할당 전략은 특히 유한 블록길이 코베이트 시스템에서 신뢰성 높은 통신과 낮은 탐지 가능성 사이의 균형을 이루는 데 필수적임.