[논문 리뷰] The Gaussian multiple access wire-tap channel: wireless secrecy and cooperative jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|2007. 02. 09.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 15인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 가우시안 다중 접근 훔치기 채널을 연구하며, 무선 보안에 대한 사용자 신뢰를 모델링하기 위해 개인 및 집단적 비밀 유지 조건을 제안한다. 가우시안 코드북을 사용하여 구현 가능한 비밀 유지 비트 전달 영역을 유도하고, 열악한 탈취자 조건 하에서 합산 용량을 증명하며, 협동 잡음 전송이 비밀 유지 비트 전달률을 향상시킬 수 있음을 보이며, 합산 비트 전달률 최적화를 위한 라그랑주 최적화를 통해 최적의 전력 할당을 도출한다.

ABSTRACT

We consider the General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT). In this scenario, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an intelligent and informed eavesdropper. We define two suitable secrecy measures, termed individual and collective, to reflect the confidence in the system for this multi-access environment. We determine achievable rates such that secrecy to some pre-determined degree can be maintained, using Gaussian codebooks. We also find outer bounds for the case when the eavesdropper receives a degraded version of the intended receiver's signal. In the degraded case, Gaussian codewords are shown to achieve the sum capacity for collective constraints. In addition, a TDMA scheme is shown to also achieve sum capacity for both sets of constraints. Numerical results showing the new rate region are presented and compared with the capacity region of the Gaussian Multiple-Access Channel (GMAC) with no secrecy constraints. We then find the secrecy sum-rate maximizing power allocations for the transmitters, and show that a cooperative jamming scheme can be used to increase achievable rates in this scenario.

연구 동기 및 목표

• 의도된 수신자 신호의 열악한 버전을 탈취자가 관측하는 다중 사용자 무선 통신 시스템에서의 비밀 유지 성질을 모델링하고 분석한다.
• 사용자 그룹 보안에 대한 서로 다른 수준의 신뢰를 반영하는 두 가지 비밀 유지 측정법—개인적 및 집단적 조건—을 정의하고 분석한다.
• 가우시안 코드북을 사용하여 다중 접근 훔치기 채널에서 두 비밀 유지 조건 하에 구현 가능한 비밀 유지 비트 전달 영역을 도출하고, 열악한 탈취자 경우에 대해 외부 경계를 설정한다.
• 두 비밀 유지 조건 하에서 합산 용량을 결정하고, 열악한 경우에 가우시안 신호 전송이 이를 달성함을 보인다.
• 개인적 조건 하에서 비밀 유지 합산 비트 전달률 최적화를 위한 전력 할당을 최적화하고, 협동 잡음 전송이 비밀 유지 비트 전달률 향상 수 Mittel을 조사한다.

제안 방법

• 탈취자의 관측치와 다른 사용자들의 코드워드 조건 하에서 메시지의 정규화된 엔트로피에 기반해 개인적 및 집단적 비밀 유지 조건을 도입한다.
• 다중 접근 훔치기 채널에서 두 비밀 유지 조건 하에 가우시안 코드북을 사용하여 구현 가능한 비트 전달 영역을 유도한다.
• 탈취자가 의도된 수신자 신호의 열악한 버전을 수신하는 경우에 대해 외부 경계를 설정한다.
• 열악한 탈취자 환경에서 개인적 및 집단적 조건 하에서 가우시안 신호 전송이 합산 용량을 달성함을 증명한다.
• 라그랑주 최적화를 적용하여 개인적 조건 하에서 비밀 유지 합산 비트 전달률 최적화를 위한 최적의 전력 할당을 유도한다.
• 한 전송기가 의도적으로 인위적 잡음을 전송하여 탈취자 채널을 열악하게 만들도록 하는 협동 잡음 전송 방식을 제안하며, 비밀 유지 비트 전달률에 미치는 잡음 신호의 영향을 반영한 수정된 라그랑주 최적화를 통해 전력 할당을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개인적 및 집단적 비밀 유지 조건 하에서 가우시안 다중 접근 훔치기 채널의 구현 가능한 비밀 유지 비트 전달 영역은 무엇인가?
• RQ2 탈취자 채널이 열악한 경우, 두 비밀 유지 조건 하에서 가우시안 신호 전송이 합산 용량을 달성하는가?
• RQ3 개인적 조건 하에서 비밀 유지 합산 비트 전달률 최적화를 위한 전력 할당은 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 협동 잡음 전송은 이 다중 액세스 환경에서 구현 가능한 비밀 유지 비트 전달률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 협동 잡음 전송이 유용한 조건는 무엇이며, 정보 신호와 인위적 잡음 전송 간의 전력 할당은 어떻게 해야 하는가?

주요 결과

• 탈취자 채널이 열악한 경우, 개인적 및 집단적 비밀 유지 조건 모두에서 합산 용량이 달성되며, 이는 주 채널 용량과 훔치기 채널 용량의 차이와 같다.
• 열악한 탈취자 경우에 가우시안 코드북이 두 비밀 유지 조건 하에서 합산 용량을 달성함을 확인하여, 이 설정에서 가우시안 신호 전송의 최적성 확인.
• 시간 분할 다중 액세스(TDMA) 방식도 두 조건 하에서 합산 용량을 달성하며, 다른 전송 전략을 제공한다.
• 개인적 조건 하에서 비밀 유지 합산 비트 전달률 최적화를 위한 최적의 전력 할당은 라그랑주 완화를 통해 유도되었으며, 채널 이득이 비밀 유지 비트 전달률을 초과할 경우 더 강한 사용자에게 전력이 할당된다.
• 협동 잡음 전송은 비밀 유지 비트 전달률을 크게 향상시키며, 잡음 신호의 영향을 반영한 수정된 라그랑주 최적화를 통해 잡더 전력 할당이 유도되었다.
• 최적의 잡음 전력은 잡더 채널이 의도된 수신자 채널보다 강력할 경우에만 비영이 되며, 전력 할당은 상대적인 채널 이득과 비밀 유지 비트 전달률에 따라 달라진다.