[논문 리뷰] Proactive Eavesdropping via Cognitive Jamming in Fading Channels

Jie Xu, Lingjie Duan외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 09.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 희미한 채널에서 인지적 잡음 간섭을 통한 사전적 도청을 제안한다. 정상적인 감시자가 풀드업렉스 간섭을 사용하여 의심스러운 수신기의 전송률을 떨어뜨림으로써 자신의 도청 능력을 향상시킨다. 완벽한 자기간섭 제거와 전역 채널 상태 정보를 가정할 때, 감시자는 비차단 확률(지연 민감형) 또는 상대적 도청 속도(지연 용인형)를 최대화하기 위해 간섭 전력 할당을 최적화한다. 이는 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

To enhance the national security, there is a growing need for government agencies to legitimately monitor suspicious communication links for preventing intended crimes and terror attacks. In this paper, we propose a new wireless information surveillance paradigm by investigating a scenario where a legitimate monitor aims to intercept a suspicious wireless communication link over fading channels. The legitimate monitor can successfully eavesdrop (decode) the information of the suspicious link at each fading state only when its achievable data rate is no smaller than that at the suspicious receiver. In practice, such legitimate eavesdropping is particularly challenging, since the legitimate monitor may be far away from the suspicious transmitter and cannot eavesdrop efficiently. To overcome this issue, we propose a new approach, namely proactive eavesdropping via cognitive jamming, in which the legitimate monitor purposely jams the receiver so as to change the suspicious communication (e.g., to a smaller data rate) for overhearing more efficiently. In particular, we consider delay-sensitive and delay-tolerant applications for the suspicious data communications, under which the legitimate monitor maximizes the eavesdropping non-outage probability for event-based monitoring and the relative eavesdropping rate for content analysis, respectively, by optimizing its jamming power allocation over different fading states subject to an average power constraint. Numerical results show that the proposed proactive eavesdropping via cognitive jamming approach greatly outperforms the conventional passive eavesdropping without jamming and the proactive eavesdropping with constant-power jamming.

연구 동기 및 목표

• 핵심 네트워크 접근이 불가능하여 기존 감시 수단이 실패하는 인프라 없는 의심스러운 무선 통신을 모니터링하는 문제를 해결하기 위해.
• 물리계층 보안에서 정당한 사전적 도청으로의 패러다임 전환을 제안하기 위해.
• 지연 민감형(비차단 확률)과 지연 용인형(상대적 도청 속도)의 두 응용 모델 하에서 도청 성능을 최대화하기 위해.
• 평균 전력 제약 하에 희미한 상태에서 간섭 전력 할당을 최적화하기 위해 풀드업렉스 작동과 완벽한 자기간섭 제거를 활용하기 위해.
• 잔류 자기간섭과 국부적 채널 상태 정보를 고려한 실용적 시나리오로 프레임워크를 확장하여 온라인 구현을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 정상적인 감시자는 풀드업렉스 인지적 간섭을 사용하여 의심스러운 수신기의 실현 가능한 전송률을 떨어뜨려, 감시자의 전송률이 수신기의 전송률을 초과할 경우 전송을 복호화할 수 있도록 한다.
• 시스템은 완벽한 자기간섭 제거(SIC)와 전역 채널 상태 정보(CSI)를 가정하여 각 희미한 상태에 대한 최적의 전력 할당이 가능하다.
• 지연 민감형 응용을 위해 감시자는 희미한 상태에 대한 확률적 최적화 문제를 해결하여 비차단 확률을 최대화한다.
• 지연 용인형 응용을 위해 감시자는 간섭 비용과 정보 수확 간의 균형을 고려한 전력 할당 전략을 통해 상대적 도청 속도를 최대화한다.
• 실용적 구현에서 잔류 자기간섭과 국부적 CSI에 적응하는 온라인 인지적 간섭 기반 설계가 이루어지며, 최적 해를 바탕으로 한다.
• 최적 전력 할당은 라그랑주 이중성과 하향 기울기 방법을 사용하여 유도되며, 각 희미한 상태에 대해 채널 이득과 전력 제약 조건에 기반한 닫힌 형태의 해가 도출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희미한 채널에서 의심스러운 수신기의 통신 속도를 능동적으로 떨어뜨림으로써 정상적인 감시자가 도청 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 평균 전력 제약 하에서 도청 비차단 확률을 최대화하는 데 최적의 인지적 간섭 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 지연 민감형과 지연 용인형 감시 응용 간 최적 간섭 정책은 어떻게 다를까?
• RQ4 수동 모니터링 또는 비인지적 간섭과 비교했을 때 사전적 도청을 통해 달성 가능한 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 잔류 자기간섭과 제한된 CSI를 가진 실용적 시스템에 최적의 인지적 간섭 정책을 어떻게 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 인지적 간섭을 통한 사전적 도청은 비차단 확률과 상대적 도청 속도 모두에서 기준 기법보다 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 최적 간섭 전력 할당은 감시자, 송신기, 수신기 간의 상대적 채널 이득에 따라 달라지며, 각 희미한 상태에 대해 닫힌 형태의 표현식이 유도되었다.
• 비차단 확률 최대화는 희미한 상태에서 감시자가 복호화할 수 있도록 보장함으로써 이벤트 기반 모니터링에서 더 높은 신뢰성을 달성한다.
• 상대적 도청 속도 최대화는 콘텐츠 분석 시나리오에서 감시자의 효과적 데이터 전송률을 증가시켜 상당한 성능 향상을 이룬다.
• 최적 정책 기반의 온라인 인지적 간섭 기반 설계는 잔류 자기간섭과 국부적 CSI가 존재하는 실용적 환경에서도 거의 최적의 성능을 달성한다.
• 유도된 최적 전력 할당 전략은 강인하고 확장 가능하며, 하향 기울기 방법과 타원체 기반 최적화를 통한 구현이 가능하다.