[論文レビュー] Exploring Relay Cooperation for Secure and Reliable Transmission in Two-Hop Wireless Networks

Yulong Shen, Xiaohong Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、盗聴者の位置とチャネル状態が未知である2ホップ無線ネットワークにおけるセキュアで信頼性の高いリレーコoperationスキームを提案する。最適だが複雑なプロトコルと、ランダムだが負荷分散に優れたプロトコルの2つを導入し、有限ネットワークが秘匿性および信頼性のアウトージェンス制約を満たす間に耐えられる盗聴者数の正確な解析的上限を導出。均一および距離依存パスロスモデルの両方において理論的分析によって検証された。

ABSTRACT

This work considers the problem of secure and reliable information transmission via relay cooperation in two-hop relay wireless networks without the information of both eavesdropper channels and locations. While previous work on this problem mainly studied infinite networks and their asymptotic behavior and scaling law results, this papers focuses on a more practical network with finite number of system nodes and explores the corresponding exact result on the number of eavesdroppers one network can tolerant to ensure desired secrecy and reliability. We first study the scenario where path-loss is equal between all pairs of nodes and consider two transmission protocols there, one adopts an optimal but complex relay selection process with less load balance capacity while the other adopts a random but simple relay selection process with good load balance capacity. Theoretical analysis is then provided to determine the maximum number of eavesdroppers one network can tolerate to ensure a desired performance in terms of the secrecy outage probability and transmission outage probability. We further extend our study to the more general scenario where path-loss between each pair of nodes also depends the distance between them, for which a new transmission protocol with both preferable relay selection and good load balance as well as the corresponding theoretical analysis are presented.

研究の動機と目的

• 盗聴者チャネルおよび位置が未知である2ホップリレーネットワークにおける物理層セキュリティ分野において、有限ネットワークの正確な結果が不足しているという問題に対処すること。
• 有限サイズのネットワークにおいて、秘匿性、信頼性、および負荷分散のバランスを取る実用的なリレープロトコルを設計すること。
• 指定された秘匿性および伝送アウトージェンス確率のしきい値を満たす間にネットワークが耐えられる盗聴者の数に対する正確な解析的境界を提供すること。

提案手法

• 等距離パスロス条件下で最大の秘匿性と信頼性を達成するための最適だが複雑なリレーセレクションを含む協調リレープロトコルを提案する。
• 負荷分散を向上させつつも、妥当な秘匿性および信頼性性能を維持するための新しいランダムリレーセレクションプロトコルを導入する。
• 確率的幾何学とマルコフ不等式を用いて、秘匿性アウトージェンス確率および伝送アウトージェンス確率の理論的上限を導出する。
• 盗聴者における干渉を、最悪（最小）干渉状況に基づく空間平均干渉電力でモデル化する。
• 距離依存パスロスに拡張するため、リレーセレクションの優先順位をリレーソースへの近接性および干渉耐性に設定する新しいリレーセレクションプロトコルを導入する。
• アウトージェンス確率指標を性能評価に用い、最適およびランダムプロトコルの両方について閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限の2ホップ無線ネットワークが、所望の秘匿性アウトージェンス確率および伝送アウトージェンス確率を維持する間に耐えられる盗聴者の正確な最大数は何か？
• RQ2 盗聴者の状態が未知である条件下で、ランダムリレーセレクションは最適リレーセレクションと比較して、負荷分散およびセキュリティ-信頼性トレードオフの観点でどのように異なるか？
• RQ3 距離依存パスロスがリレーアシスト2ホップネットワークにおける達成可能な秘匿性および信頼性性能に与える影響は何か？
• RQ4 実用的な有限ネットワークにおいて、良好な負荷分散と強力な物理層セキュリティを同時に達成できる新しいリレーセレクションプロトコルを設計できるか？
• RQ5 現実的な仮定のもとで、ネットワークサイズ、送信電力、盗聴者密度と、アウトージェンス確率の理論的境界はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 本稿では、盗聴者数、パスロス指数、ネットワーク密度に依存する秘匿性アウトージェンス確率の上限を導出し、正当なノード数が増加するにつれて確率が指数関数的に減少することを示した。
• 最適リレーセレクションプロトコルにおいては、SINR（信号対干渉＋ノイズ比）の逆数および干渉源数を含む項による秘匿性アウトージェンス確率の境界が得られ、ネットワークサイズが増加するにつれて境界が厳しくなることが示された。
• ランダムリレーセレクションプロトコルは、最適プロトコルと比較して著しく優れた負荷分散を達成しながらも、同等の秘匿性アウトージェンス性能を維持しており、実世界への展開においてより実用的である。
• 距離依存パスロス下では、提案された新しいプロトコルが、送信元に近いだけでなく盗聴者からも遠いリレーセレクションを優先することで、秘匿性および信頼性の両方を向上させた。
• 理論的分析により、耐えられる盗聴者の最大数は、所望の秘匿性アウトージェンスしきい値に反比例し、ネットワークの送信電力およびパスロス指数に直接関係することが示された。
• 導出された境界はきわめてきついものであり、実用的である。これにより、従来の漸近的スケーリング則とは異なり、ネットワーク設計者が有限ネットワークにおける正確な耐えられる盗聴者数を計算可能にする。