[논문 리뷰] Covert Wireless Communications with Channel Inversion Power Control in Rayleigh Fading

Jinsong Hu, Shihao Yan외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 21.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 32인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 Rayleigh fading 채널에서 채널 역전 제어를 이용한 암시적 무선 통신 기법(CIPC)을 제안하며, 피드백 없이 송신 전력과 위상을 조절함으로써 워든(warden)으로부터 송신기를 은폐할 수 있도록 전용 이중성 수신기를 사용한다. 절단형 CIPC 기법은 탐지 오류 제약 조건 하에서 최적의 전력 제어를 통해 기존 CIPC보다 높은 효과적 암시적 전송률을 달성한다.

ABSTRACT

In this work, we adopt channel inversion power control (CIPC) to achieve covert communications aided by a full-duplex receiver. Specifically, the transmitter varies the power and phase of transmitted signals as per the channel to the receiver, such that the receiver can decode these signals without knowing the channel state information. This eliminates the required feedback from the transmitter to the receiver, which aids hiding the transmitter from a warden. The truncated CIPC and conventional CIPC schemes are proposed and examined, where for truncated CIPC covert transmission ceases when the channel quality from the transmitter to the receiver is low, while for conventional CIPC covert transmission always occurs regardless of this channel quality. We examine their performance in terms of the achieved effective covert throughput (ECT), which quantifies the amount of information that the transmitter can reliably convey to the receiver, subject to the constraint that the warden's detection error probability is no less than some specific value. Our examination shows that the truncated CIPC scheme can outperform the conventional CIPC scheme due to this constraint.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크에서 워든으로부터 송신기를 은폐하는 데 도전하는 문제를 다루며, 특히 위치 노출이 치명적인 IoT 및 군사적 응용 분야에서의 응용을 목표로 한다.
• 기존의 암시적 통신 기법이 전송 활동만 은폐할 뿐 송신기 자체를 은폐하지 못하는 한계를 극복하는 것.
• 수신기에서 송신기로의 피드백이 필요 없이도 신뢰성 있고 암시적인 통신을 가능하게 하는 전력 제어 전략을 설계하는 것.
• 워든의 탐지 오류 확률 제약 조건 하에서 효과적 암시적 전송률을 기준으로 절단형 및 기존 CIPC 기법의 성능을 분석하고 비교하는 것.

제안 방법

• 송신기는 수신기로의 채널 상태에 따라 전력과 위상을 적응적으로 조절하기 위해 채널 역전 제어(CIPC)를 사용함으로써 피드백이 필요 없도록 한다.
• 전용 이중성 수신기를 도입하여 동시 송수신을 가능하게 하여 송신기의 존재를 드러내지 않는 암시적 통신을 지원한다.
• 절단형 CIPC 기법은 수신기로의 채널 품질이 열 劣할 경우 전송을 일시 중단하는 반면, 기존 CIPC 기법은 채널 품질에 관계없이 전송을 계속한다.
• 암시적 통신을 확보하기 위해 워든의 탐지 오류 확률을 임계값 이하로 제약하고, 이 제약 조건 하에서 효과적 암시적 전송률(ECT)을 최대화한다.
• 성능 분석을 위해 탈선 확률과 탐지 오류 확률을 사용하며, 신뢰성과 은폐성의 균형을 이루기 위해 인공 노이즈 전력과 전송 전력에 대한 최적화를 수행한다.
• 수치적 결과를 활용하여 최대 전송 전력과 탐지 제약 조건이 변화할 경우의 ECT를 평가하고, 수치적 탐색을 통해 최적의 전력 할당을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백 없이도 Rayleigh fading 채널에서 채널 역전 제어(CIPC)를 효과적으로 활용하여 암시적 통신을 구현할 수 있는가?
• RQ2 나쁜 채널 조건에서 전송을 일시 중단하는 절단형 CIPC 기법은 기존 CIPC 기법과 비교해 효과적 암시적 전송률 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 워든의 탐지 오류 확률 제약 조건 하에서 효과적 암시적 전송률을 최대화하는 데 최적의 최대 전송 전력($ P_a^{ ext{max}} $)과 인공 노이즈 소스의 최대 전력($ P_b^{ ext{max}} $)은 각각 얼마인가?
• RQ4 절단형 CIPC 기법은 신뢰성과 은폐성의 상호 보완적 특성 탓에 기존 CIPC보다 더 높은 성능을 달성하는가?
• RQ5 두 기법에서 $ P_a^{ ext{max}} $와 $ P_b^{ ext{max}} $의 파rameter는 효과적 암시적 전송률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 절단형 CIPC 기법은 탐지 제약 조건 하에서 더 나은 전력 제어를 통해 기존 CIPC 기법보다 높은 최대 효과적 암시적 전송률(ECT)을 달성한다.
• 절단형 CIPC 기법에서 Bob의 최대 전송 전력($ P_b^{ ext{max}} $)에 대해 ECT를 최대화하는 최적의 값이 존재하며, 이를 초과하면 탐지 가능성 증가로 인해 성능이 악화된다.
• 기존 CIPC 기법의 ECT는 $ P_b^{ ext{max}} $가 증가함에 따라 단조적으로 증가하며, $ P_b^{ ext{max}} $가 증가함에 따라 상한선에 수렴한다.
• 절단형 CIPC 기법의 ECT는 $ P_a^{ ext{max}} $가 증가함에 따라 처음에는 증가하다가 감소하며, 이는 최적의 전송 전력이 존재함을 시사한다.
• $ P_a^{ ext{max}} $가 증가함에 따라 절단형 CIPC 기법의 ECT는 기존 CIPC 기법의 ECT에 가까워지며, 이는 분석 결과를 확인하는 데 기여한다.
• 암시적 통신 제약 조건(즉, 워든의 탐지 오류 확률 임계값 $ \epsilon $)이 ECT에 가장 큰 영향을 미치며, $ \epsilon $이 클수록 더 높은 ECT를 허용한다.