[論文レビュー] A Combinatorial Model of Interference in Frequency Hopping Schemes

Mwawi Nyirenda, Siaw‐Lynn Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、グループ単位の相互干渉と攻撃的ジャミングの両方を同時に扱う周波数ホッピング（FH）方式の組み合わせ的モデルを提案する。カバー-freeコードとFHシーケンスを結びつけることで、スループットの下限を確立し、純粋な組み合わせ的設計では適応的ジャマーに対して不十分であることを示す。代わりに、強化された耐性を持つラテン平方（sR-LS）などの方式を用いて擬似乱数を統合することで、全セッションにわたって最大スループット（最大1）を達成し、堅牢なジャミング耐性を実現できる。

ABSTRACT

In a frequency hopping (FH) scheme users communicate simultaneously using FH sequences defined on the same set of frequency channels. An FH sequence specifies the frequency channel to be used as communication progresses. Much of the research on the performance of FH schemes is based on either pairwise mutual interference or adversarial interference but not both. In this paper, we evaluate the performance of an FH scheme with respect to both group-wise mutual interference and adversarial interference (jamming), bearing in mind that more than two users may be transmitting simultaneously in the presence of a jammer. We establish a correspondence between a cover-free code and an FH scheme. This gives a lower bound on the transmission capacity. Furthermore, we specify a jammer model and consider what additional properties a cover-free code should have to resist the jammer. We demonstrate that a purely combinatorial approach is inadequate against such a jammer, but that with the use of pseudorandomness, we can have a system that has high throughput as well as security against jamming.

研究の動機と目的

• 正当なユーザー間の相互干渉と攻撃的ジャミングの両方を考慮した周波数ホッピング（FH）方式のモデル化。
• FHMAシステムにおける適応的ジャマーに対する組み合わせ的設計（例：カバー-freeコード）の限界の分析。
• FH方式におけるスループットとジャミング耐性のトレードオフの特定。
• 擬似乱数を用いて高スループットを維持しながら適応的ジャミングに耐性を持つ安全で効率的なFH方式の提案。
• FHシステムにおいて、長期にわたりジャミング耐性を確保するためには擬似乱数が不可欠であることを示す。

提案手法

• カバー-freeコードとFH方式との対応関係を確立し、最悪ケースのスループットの下限を導出する。
• 観測された送信パターンに基づいて、アクティブなシーケンスを適応的に標的とするジャッカー・モデルを定義する。
• 擬似乱数関数を用いて時変するスロット鍵を生成する、強化された耐性を持つラテン平方（sR-LS）方式を導入する。
• $v$ 階のラテン平方を $\mathbb{Z}_v$ 上に構築し、各シーケンスを $\beta_{ij} = \alpha_{ij} + x_t \mod v$ として導出する。
• 各タイムスロットで $v$ 個の周波数チャネルをすべて一度ずつ使用するようにし、任意の $w < v$ に対して最大 $w$-スループット1を達成する。
• 共有の長期鍵 $K$ と擬似乱数関数 $g(K,s,t)$ を用いて、各タイムスロットで新規なスロット鍵 $x_t$ を生成し、ジャッカーによる予測を防ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カバー-freeコードのような組み合わせ的設計は、周波数ホッピング多重アクセス（FHMA）システムにおいて、適応的ジャミングに対して十分な耐性を提供できるか？
• RQ2 相互干渉と攻撃的ジャミングが同時に存在する状況下で、FH方式が達成可能な最大スループットは何か？
• RQ3 擬似乱数の統合は、純粋な組み合わせ的アプローチと比較して、FH方式の適応的ジャマーに対するレジリエンスをどのように向上させるか？
• RQ4 カバー-freeコードに基づくFH方式におけるスループットとジャミング耐性の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 全セッションにわたり $(1/m, 1/m)$-適応的ジャマーに耐性を持つ安全なFH方式を構築できるか？

主な発見

• カバー-freeコードはFH方式における最悪ケースのスループットの下限を提供するが、適応的ジャマーに対しては不十分である。
• 純粋な組み合わせ的アプローチでは、適応的ジャミングに耐えられない。なぜなら、多くのコード語が同じ位置で同じシンボルを生成するため、脆弱性が高まるからである。
• sR-LS方式は、任意の $w < v$ に対して最悪ケースの $w$-スループットが1に達する。これは、任意の $w$ ユーザーの部分集合において、$v$ 個のすべてのシーケンスが干渉なく使用可能であることを意味する。
• sR-LS方式は、全セッション $\gamma v = v$ の間、$(1/m, 1/m)$-適応的ジャマーに耐える。なぜなら、ジャッカーが時変するスロット鍵 $x_t$ を予測できないからである。
• FH方式において長期的なジャミング耐性を確保するためには、擬似乱数が不可欠である。これは、適応的ジャミング下で組み合わせ的コードが失敗することによって示された。
• sR-LS方式は、各タイムスロットで新しくかつ予測不能なスロット鍵を生成する擬似乱数関数を用いることで、最大スループットとセキュリティを維持する。