[論文レビュー] Covert Communications with Constrained Age of Information

Yida Wang, Shihao Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Age of Information Optimization参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、平均情報年齢（AoI）の制約のもとで、不正利用防止性と情報新鮮度を共同最適化する新しいフレームワークを導入する。情報信号の送信確率を設計変数としてモデル化することで、著者らは最適な不正利用防止性が等しい事前確率（すなわち、送信確率 ≠ 0.5）を必要としないこと、およびAoI制約下で非ゼロの不正利用防止性を達成するためには最小送信パワーが必要であることを示している。

ABSTRACT

In this letter, we consider the requirement of information freshness in covert communications for the first time. With artificial noise (AN) generated from a full-duplex (FD) receiver, we formulate a covertness maximization problem under the average age of information (AoI) constraint to optimize the transmit probability of information signal. In particular, the transmit probability not only represents the generation rate of information signal but also represents the prior probability of the alternative hypothesis in covert communications, which builds up a bridge between information freshness and communication covertness. Our analysis shows that the best transmit probability is not always 0.5, which differs from the equal prior probabilities assumption in most related works on covert communications. Furthermore, the limitation of average AoI enlarges the transmit probability at the cost of the covertness reduction and leads to a positive lower bound on the information transmit power for non-zero covertness.

研究の動機と目的

• 既存の不正通信モデルにおける情報新鮮度の考慮不足に対処すること。
• 平均情報年齢（AoI）の制約のもとで不正利用防止性をモデル化・最適化すること。
• 人工ノイズを用いたフルデュプレックスシステムにおける通信の不正利用防止性と情報新鮮度のトレードオフを分析すること。
• 所定の平均AoIを満たす条件下で不正利用防止性を最大化する情報信号の最適送信確率を特定すること。

提案手法

• 確率的送信方針を用いて、平均AoI制約下での不正利用防止性最大化問題を定式化する。
• フルデュプレックス受信機が人工ノイズ（AN）を送信して監視者を混乱させるブロックRayleigh fadingチャネルでシステムをモデル化する。
• 平均AoIおよび監視者の期待検出誤り確率の閉形式表現を導出する。
• 与えられた平均サービス時間制約下で、検出誤り確率（すなわち、監視者の送信検出能力の最小化）を最大化するように送信確率を最適化する。
• フルデュプレックス受信機で干渉キャンセレーション技術を用いて、AN送信による自己干渉を抑制する。
• 検出閾値τの3つのケースを分析し、最適閾値および対応する検出誤り確率を導出する。

Figure 1: One possible evolution of the instantaneous AoI versus the index of time slot for the considered covert communication system.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均AoI制約下で不正利用防止性を最大化する情報信号の最適送信確率は何か？
• RQ2 平均AoIの制約が、非ゼロの不正利用防止性を達成するための必要な送信パワーに与える影響は何か？
• RQ3 情報新鮮度を考慮した場合、先行研究が仮定しているように最適送信確率は常に0.5のまま保たれるのか？
• RQ4 異なる送信確率およびチャネル状態における監視者の検出性能はどのように変化するか？
• RQ5 フルデュプレックス受信機からの人工ノイズが、不正利用防止性と情報新鮮度のトレードオフに与える影響は何か？

主な発見

• 最適送信確率は常に0.5ではない。平均AoIの制約のため、0.5を超えることもある。これは先行研究における等しい事前確率の仮定に反する。
• 平均AoI制約は送信機が送信確率を増加させることを強いる。これにより不正利用防止性は低下するが、情報新鮮度は保証される。
• 平均AoIが制約されている場合、非ゼロの不正利用防止性を達成するためには情報送信パワーに正の下限値が必要である。
• 監視者の検出誤り確率は送信確率とチャネル利得に依存し、最適な検出閾値の選択が不正利用防止性を最大化するために重要である。
• 検出誤り確率の式は、検出閾値τの3つの異なるケースに基づいて導出され、最適なτはチャネル利得に応じて下限または上限値となる。