[논문 리뷰] The General Gaussian Multiple Access and Two-Way Wire-Tap Channels: Achievable Rates and Cooperative Jamming

Ender Tekin, Aylin Yener|ArXiv.org|2007. 02. 20.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 일반 가우시안 다중접속 훔치기 채널(GGMAC-WT)과 가우시안 양방향 훔치기 채널(GTW-WT)에 대해 협업 잡음 방식을 제안하여 기밀성 비율을 향상시킨다. 강력한 정상 채널을 가진 사용자가 전송하고, 나머지 사용자가 타겟을 훔치는 이브를 방해하도록 전력 분배를 전략적으로 수행함으로써, 체계는 더 높은 기밀성 합산비율을 달성한다. 이는 사용자 간 협업이 개별 사용자가 안전하게 통신할 수 없는 경우에도 양의 기밀성 비율을 가능하게 한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The General Gaussian Multiple Access Wire-Tap Channel (GGMAC-WT) and the Gaussian Two-Way Wire-Tap Channel (GTW-WT) are considered. In the GGMAC-WT, multiple users communicate with an intended receiver in the presence of an eavesdropper who receives their signals through another GMAC. In the GTW-WT, two users communicate with each other over a common Gaussian channel, with an eavesdropper listening through a GMAC. A secrecy measure that is suitable for this multi-terminal environment is defined, and achievable secrecy rate regions are found for both channels. For both cases, the power allocations maximizing the achievable secrecy sum-rate are determined. It is seen that the optimum policy may prevent some terminals from transmission in order to preserve the secrecy of the system. Inspired by this construct, a new scheme, \ital{cooperative jamming}, is proposed, where users who are prevented from transmitting according to the secrecy sum-rate maximizing power allocation policy "jam" the eavesdropper, thereby helping the remaining users. This scheme is shown to increase the achievable secrecy sum-rate. Overall, our results show that in multiple-access scenarios, users can help each other to collectively achieve positive secrecy rates. In other words, cooperation among users can be invaluable for achieving secrecy for the system.

연구 동기 및 목표

• 외부 이브에 대한 다단계 가우시안 채널에 적합한 기밀성 측정법을 정의하기.
• 이 기밀성 측정법 하에서 GGMAC-WT 및 GTW-WT의 실현 가능한 기밀성 비율 영역을 유도하기.
• 두 채널 모델에서 기밀성 합산비율을 최대화하는 최적의 전력 분배 정책을 규명하기.
• 전송하지 않는 사용자가 활발히 이브를 방해하는 협업 잡음 방식을 제안하고 분석하기.
• 기존 사용자가 단독으로 기밀성 전용 용량이 0인 경우에도 기존 사용자 간 협업이 양의 기밀성 비율을 가능하게 할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 정보 유출 정도를 측정하기 위해 정규화된 조건부 엔트로피 기반의 기밀성 측정법을 수립하기.
• 구조적 코딩 및 전력 분배 전략을 사용하여 GGMAC-WT 및 GTW-WT에 대한 실현 가능한 기밀성 비율 영역을 유도하기.
• 최적의 전력 분배 정책을 규명: 정상 수신기로의 채널 비율이 높은 사용자만 전력 최대치로 전송.
• 직접 채널이 열악한 사용자가 인위적 노이즈를 전송하여 이브의 수신을 악화시키는 협업 잡음 방식을 제안하기.
• 고정된 경로 손실 전파 모델을 사용하여 이브의 위치가 기밀성 비율에 미치는 영향을 분석하기.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 이브 위치에서의 기밀성 합산비율과 잡음 효과를 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 이브가 존재하는 다중 사용자 가우시안 채널에 적합한 기밀성 측정법은 무엇인가?
• RQ2 실제 전력 제약 조건 하에서 GGMAC-WT 및 GTW-WT에서 기밀성 합산비율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ3 일부 송신기를 비활성화하는 것이 체계 기밀성을 유지하는 데 최적일 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 협업 잡음 방식이 다중접속 및 양방향 훔치기 채널에서 실현 가능한 기밀성 비율을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 양방향 채널의 전송 신호에 대한 상호 지식의 대칭성은 다중접속 시나리오에 비해 기밀성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 기밀성 합산비율은 정상 수신기로의 채널 비율이 이브보다 높은 사용자들만 최대 전력으로 전송할 경우에 최대가 된다.
• GTW-WT의 경우, 이브가 단일 사용자 디코딩을 통해 신호를 복원할 수 없는 한, 양단 모두 최대 전력으로 전송할 수 있다.
• 협업 잡음은 특히 이브의 신호 대 잡음비(SNR)가 정상 수신기보다 높을 경우 실현 가능한 기밀성 합산비율을 상당히 향상시킨다.
• GGMAC-WT의 경우, 이브가 송신기 근처에 있을 경우 해당 송신기를 전송 비활성화하고 대신 이브를 방해하는 데 사용함으로써 다른 사용자가 더 높은 기밀성 비율을 달성할 수 있다.
• GTW-WT는 GGMAC-WT보다 협업 잡음의 효과가 더 크며, 이는 잡음 신호가 정상 수신기에 간섭을 주지 않기 때문이다.
• GGMAC-WT의 경우 기밀성 합산비율과 상한선이 열화된 경우에 일치하며, 이는 특수한 경우의 기밀성 합산용량을 확립한다.