[論文レビュー] Covert Communication in Fading Channels under Channel Uncertainty

Khurram Shahzad, Xiangyun Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、チャネル不確実性下でのブロック fadingチャネルにおける隠れ通信を検討し、送信者が正当なパブリックリンクを活用してコントロールユーザーへのメッセージを隠蔽する状況を想定する。ウォーリーのラジオメータの最適検出しきい値を正確に導出し、アウトージュ制約および隠れ通信の制約下での正当ユーザーおよび隠れユーザーの実現可能レートを定量的に評価する。その結果、チャネル不確実性は隠れ通信性を向上させる一方で、両ユーザーのスループットを制限することが示された。

ABSTRACT

A covert communication system under block fading channels is considered where users experience uncertainty about their channel knowledge. The transmitter seeks to hide the covert communication to a private user by exploiting a legitimate public communication link while the warden tries to detect this covert communication by using a radiometer. We derive the exact expression for the radiometers optimal threshold which determines the performance limit of the wardens detector. Furthermore for given transmission outage constraints the achievable rates for legitimate and covert users are analyzed while maintaining a specific level of covertness. Our numerical results illustrate how the achievable performance is affected by the channel uncertainty and required level of covertness.

研究の動機と目的

• ウォーリングが送信の存在を検知できないように、無線ネットワークにおける隠れ通信を可能にすること。
• ウォーリーにおけるチャネル不確実性が、隠れ通信の実現可能性および性能に与える影響を分析すること。
• 隠れ通信要件を満たす条件下で、正当ユーザー（カロル）および隠れユーザー（ボブ）の実現可能レートを定量すること。
• ブロック fading 条件下におけるウォーリーのラジオメータの正確な最適検出しきい値を導出すること。

提案手法

• アリスがカロルに公開して送信する一方で、カロルの送信をかげりに使ってボブに隠れ送信する状況をモデル化する。
• レイリー分布に従うチャネル係数を有するブロック fading チャネルを仮定し、受信電力に基づいてコントロール信号を検出するため、ウォーリーにラジオメータを設置する。
• H₀（帰無仮説）およびH₁（対立仮説）の両状態下でのウォーリーのラジオメータ検出器の最適しきい値について、閉形式の式を導出する。
• カロルおよびボブのアウトージュ確率制約を用いて、H₁下での実現可能な送信レートを特定し、インタリーフェンスおよびチャネル不確実性を考慮する。
• ウォーリーにおけるチャネル不確実性をモデル化するパラメータβを導入し、これにより検出性能が低下し、隠れ通信が可能になる。
• 数値的に、隠れ通信性（ε）、チャネル不確実性（β）、およびカロルおよびボブの実現可能レート領域のトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウォーリーにおけるチャネル不確実性が、ラジオメータベースの検出器の最適しきい値に与える影響は何か？
• RQ2 ブロック fading 条件下で、ウォーリーの最適しきい値の正確な閉形式式は何か？
• RQ3 正当ユーザーおよび隠れユーザーのアウトージュ制約が、隠れ通信要件を満たす下での実現可能レート領域に与える影響は何か？
• RQ4 チャネル不確実性（β）および隠れ通信しきい値（ε）が、隠れ通信と正当送信レートのトレードオフに与える影響は何か？

主な発見

• ウォーリーのラジオメータの最適しきい値が閉形式で導出され、チャネル不確実性下での検出性能の正確な分析が可能になった。
• ウォーリーにおけるチャネル不確実性（β）を増加させることで、隠れ通信性が向上し、アリスはボブに割り当てられる電力を増やすことができる。
• 固定された隠れ通信要件（ε）下で、βが高くなるとボブの実現可能レートは上昇するが、干渉および不確実性の増加によりカロルのレートは低下する。
• 隠れ通信しきい値εを緩和すること（例：0.1から0.3に）により、ボブの実現可能レート領域が拡大し、より高い送信レートが可能になる。
• カロルおよびボブの実現可能レート領域は、アウトージュ確率とウォーリーによる検出回避の両方の制約を受けており、隠れ通信性とスペクトル効率のトレードオフが存在する。
• 数値結果により、チャネル不確実性がウォーリーの検出性能を劣化させ、厳密な隠れ通信要件下でも隠れ通信が可能であることが確認された。