[論文レビュー] A Jamming-Resistant MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Networks

Andréa W. Richa, Christian Scheideler+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2010

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 35被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、単一チャネル上で適応的敵対的ジャミングに対して定数競合性能を達成する、シンプルで局所的かつ対称的なMACプロトコル「Jade」を提案する。ランダム化された送信確率をフィードバックに応じて適応させる仕組みにより、ノードは最大 (1−ε) の時間ステップにわたりジャミングされても通信を継続可能であり、十分なノード密度下で漸近的に最適な性能を達成する。

ABSTRACT

This paper presents a simple local medium access control protocol, called extsc{Jade}, for multi-hop wireless networks with a single channel that is provably robust against adaptive adversarial jamming. The wireless network is modeled as a unit disk graph on a set of nodes distributed arbitrarily in the plane. In addition to these nodes, there are adversarial jammers that know the protocol and its entire history and that are allowed to jam the wireless channel at any node for an arbitrary $(1-ε)$-fraction of the time steps, where $0

研究の動機と目的

• 適応的敵対的ジャミングにさらされる多ホップ無線ネットワーク向けに、耐障害性が高く、局所的かつ対称的なMACプロトコルを設計すること。
• 敵対者がノードの送信を最大 (1−ε) の時間ステップにわたりジャミング可能であり、プロトコルと履歴を完全に把握している状況下でも、高いスループットを維持する課題に対処すること。
• 敵対的ジャミングが存在するにもかかわらず、非ジャミング時間における最良のスループットの定数倍の性能を達成することを証明すること。
• 単ホップネットワークに限ったジャミング耐性の先行研究を、ユニットディスクグラフトポロジーを持つ多ホップネットワークへと拡張すること。
• 適応的ジャミングと限られたチャネル知識という現実的な仮定下で、Jadeの性能が理論的に最適であることを示すこと。

提案手法

• Jadeは、各ノードが過去のラウンドからのフィードバックに応じて適応的に変化する送信確率で独立に送信を行うランダム化された送信戦略を用いる。
• ノードは、成功受信回数と非ジャミング時間ステップを追跡するカウンタに基づいて、送信確率を調整する。
• 成功確率を推定し、衝突やジャミングが検出された場合には送信確率を低下させるために、時間平均フィードバックメカニズムを採用する。
• 確率的集中不等式を用いて、ノードが時間経過とともに安定した送信確率に収束することを示すための確率的解析と集中限界を活用する。
• ノードがジャミングされた送信と衝突を区別できないにもかかわらず、統計的レジリエンスにより高いスループットを達成する。
• 理論的分析では、長さTの区間におけるノードごとの成功受信回数の期待値を、確率的集中不等式を用いて上限付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応的敵対的ジャミング下で、局所的かつ対称的なMACプロトコルが多ホップ無線ネットワークで定数競合性能を達成できるか？
• RQ2 敵対者がノードの送信を最大 (1−ε) の時間ステップにわたりジャミング可能であり、プロトコルと履歴を完全に把握している状況下でも、高いスループットを維持できるか？
• RQ3 Jadeの性能は低ノード密度下で劣化するか？その場合、どのような条件下で劣化するか？
• RQ4 ジャミングの存在下で、Jadeはどの程度の速さで安定した送信行動に収束するか？
• RQ5 ノードがジャミングを検出できないにもかかわらず、Jadeは非ジャミング時間における漸近的に最適なスループットを達成できるか？

主な発見

• ノード密度が十分に高い場合、Jadeは任意の (T, 1−ε)-有界敵対者に対して、c > 0 の定数競合スループットを達成する。
• ノード密度が閾値（例：1単位ディスクあたり少なくとも12ノード）を超えると、シミュレーションによりJadeのスループットは最適レートの20%〜35%を維持する。
• n=500ノードの場合、約50ラウンドで安定した送信行動に収束し、平均T_v値は[2,4]の範囲に安定する。
• |D(u)| = o(1/ε) の低密度状況では、Jadeは任意の定数cに対してc-競合的ではなくなることが示され、性能に根本的な限界があることが明らかになる。
• 理論的分析により、与えられたモデル下でJadeのスループットは漸近的に最適であり、最悪のジャミング状況下でもより高い定数倍の最適スループットを達成できるプロトコルは存在しないことが確認される。