In this dissertation, we study fundamental limits of covert communication over several multi-user network models. Covert communication is a field of secure communication that aims to ensure the reliable communication between legitimate party while keeping the presence of the communication undetectable from an adversary (or warden). There are several practical fields that the covert communication is studied actively such as military communication, satellite communication, and IoT networks. Thus, it is important to examine the covert communication over multi-user networks. In this dissertation, we consider three network scenarios, i.e. interference channels, two-user Gaussian multiple access channel with causal feedback, and block fading channels with a half-duplex relay. We examine the covert capacity (region) in each scenario and corresponding optimal communication strategy. In the case of interference channels, we derive the exact covert capacity region and show that a simple point-to-point based scheme with treating interference as noise is optimal. In addition, we analyze the secret key length required for the reliable and covert communication with the desired rates. The results are extended to the Gaussian case and the case with multiple wardens. For the two-user Gaussian multiple access channel with causal feedback, we show that any causal feedback does not enlarge the covert capacity region and the time-division scheme is optimal for a class of channels. Finally, we propose a DF relaying strategy for the covert communication over block fading channels with a half-duplex relay. A non-convex optimization problem is formulated to maximize the outage throughput of the proposed DF relaying. To solve this problem, we propose a low-complexity algorithm with alternating optimization.
본 논문에서는 여러 다중 사용자 네트워크에서의 저피탐 통신 상황을 고려하고, 그것의 한계 성능에 대해 연구하였다. 저피탐 통신은 보안 통신의 한 분야로, 무선통신 상황에서 정보의 누출을 차단하는 것에서 더 나아가 합법적 송수신단의 통신 발생 유무를 악의적인 제3자가 알 수 없도록 하는 것을 목표로 한다. 군통신 분야에서 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 최근에는 위성통신, 사물인터넷을 위한 통신 등 실용적이며 복잡한 네트워크를 지닌 여러 통신 분야에서 연구 가치를 인정받고 있다. 이러한 점에서 다양한 상황을 고려한 다중 사용자 네트워크에서의 연구는 중요하다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 정보이론적인 접근을 통하여 저피탐 통신의 이론적 한계 성능을 규명하고, 이를 달성하는 최적의 저피탐 통신 기법을 제안하고자 한다. 세 가지 다중 사용자 네트워크, 즉 간섭채널, 수신단으로부터의 피드백을 전달받아 활용할 수 있는 다중접속채널, 그리고 반이중 릴레이를 활용한 릴레이 채널이 고려되었다. 간섭채널의 경우 저피탐 통신의 채널 용량을 이론적으로 규명하였고, 간섭신호를 잡음 취급하여 복호화를 수행하는 간단한 통신 기법으로 저피탐 통신 채널 용량을 달성할 수
있음을 보였다. 또한 저피탐 통신에 필요한 암호키의 최소 길이에 대해 연구하였으며, 이 연구 결과들을 다수의 악의적 제3자가 있는 상황으로 확장하였다. 다중접속채널의 경우 피드백을 활용한 적응적 부호화 기법이 제3자의 탐지 성공률을 급격하게 높일 수 있음을 보여, 일부 상황에서 피드백을 활용하지 않는 전송법이 저피탐 채널 용량을 달성할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 반이중 릴레이가 활용된 블록 페이딩 릴레이 채널에서 저피탐 통신의 정전 용량에 대하여 분석하였다. 저피탐 통신의 정보 전송률을 높일 수 있는 릴레이 기법을 제시하였으며, 이 기법에서 파생되는 저피탐 통신 제약 조건을 모델링, 최적화 문제를 제안하고 이를 효율적으로 해결하는 알고리즘을 제안하였다.
