[論文レビュー] On Eavesdropper-Tolerance Capability of Two-Hop Wireless Networks

Yanchun Zhang, Yulong Shen+2 more|Victoria University Research Repository (Victoria University)|Dec 13, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、協調ジャミングとオポチュニスティックリレーリングを用いて、物理層セキュリティを維持しつつ、二ホップ無線ネットワークが耐えうる盗聴者数の上限を特定する理論的枠組みを提案する。秘匿性アウトージェ確率（SOP）と伝送アウトージェ確率（TOP）を中央極限定理および確率的順序付けを用いてモデル化することで、実用的な fading 条件下での盗聴者耐容能力を定量化する閉形式式を導出する。

ABSTRACT

Two-hop wireless network serves as the basic net-work model for the study of general wireless networks, while cooperative jamming is a promising scheme to achieve the physi-cal layer security. This paper establishes a theoretical framework for the study of eavesdropper-tolerance capability (i.e., the exact maximum number of eavesdroppers that can be tolerated) in a two-hop wireless network, where the cooperative jamming is adopted to ensure security defined by secrecy outage probability (SOP) and opportunistic relaying is adopted to guarantee relia-bility defined by transmission outage probability (TOP). For the concerned network, closed form modeling for both SOP and TOP is first conducted based on the Central Limit Theorem. With the help of SOP and TOP models and also the Stochastic Ordering Theory, the model for eavesdropper-tolerance capability analysis is then developed. Finally, extensive simulation and numerical results are provided to illustrate the efficiency of our theoretical framework as well as the eavesdropper-tolerance capability of the concerned network from adopting cooperative jamming and opportunistic relaying.

研究の動機と目的

• 二ホップ無線ネットワークが物理層セキュリティを維持しつつ耐えうる盗聴者の最大数を定量化する理論的枠組みを確立すること。
• レイノールドフェイディング下で秘匿性アウトージェ確率（SOP）と伝送アウトージェ確率（TOP）をモデル化することで、秘匿性と信頼性を統合最適化すること。
• 秘密鍵配布や高コストのハードウェアに依存せずに、協調ジャミングとオポチュニスティックリレーリングを活用してセキュリティを強化すること。
• 中央極限定理を用いて、SOP および TOP の閉形式近似式を導出することで、解析の容易性を確保すること。
• 確率的順序付け理論を応用し、実用的制約下でのネットワークの盗聴者耐容能力を特徴付けること。

提案手法

• レイノールドフェイディングチャネルを想定し、二ホップネットワークのエンドツーエンドチャネルゲインを指数分布確率変数でモデル化する。
• 干渉電力の i.i.d. 確率変数の和を中央極限定理を用いて近似することで、SOP および TOP の閉形式モデル化を可能にする。
• 順序統計と2つの指数分布変数の最小値を用いて、選択されたリレーキャンデートのチャネルゲインの確率分布を導出する。
• 全確率の法則とリレーセレクション変数に関する統合を用いて、同時アウトージェ確率を計算する。
• 干渉電力に混合型分布を導入し、解析の容易性を高めるために正規分布で近似する。
• 確率的順序付け理論を用いて、盗聴者数の変動に伴うシステム性能を比較し、盗聴者耐容閾値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 目標とする秘匿性アウトージェ確率を維持しつつ、二ホップ無線ネットワークが耐えうる盗聴者の最大数は何か？
• RQ2 協調ジャミングとオポチュニスティックリレーリングの組み合わせは、ネットワークの信頼性および秘匿性性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 中央極限定理を用いて、レイノールドフェイディング下で秘匿性アウトージェ確率（SOP）および伝送アウトージェ確率（TOP）の閉形式式を導出できるか？
• RQ4 リレーや盗聴者の数は、システムの盗聴者耐容能力にどのように影響を与えるか？
• RQ5 チャネルフェイディングおよびリレーセレクションダイバーシティの影響は、ネットワークが安全かつ信頼性の高い通信を維持する能力にどのように作用するか？

主な発見

• 中央極限定理を用いて秘匿性アウトージェ確率（SOP）の閉形式近似式を導出し、盗聴者耐容性の解析的評価を可能にした。
• 伝送アウトージェ確率（TOP）は、指数分布確率変数の順序統計を用いてモデル化され、リレーキャンデート干渉電力の和に対して正規近似が適用された。
• 盗聴者耐容能力は、SOPが事前に定義された閾値未満に保たれる最大盗聴者数として定量化され、確率的順序付けにより導出された。
• シミュレーション結果は、理論モデルの正確性を裏付け、中程度から大規模なリレーアレイに対して、干渉電力の正規近似が真の分布とよく一致することを示した。
• このフレームワークは、協調ジャミングがセキュリティを顕著に向上させることを示しており、信頼性を損なわずにより多くの盗聴者を耐容可能にした。
• 成功した伝送と秘匿性の同時確率を表す式には、非対称チャネル条件下での正確な性能評価を可能にするハイパージオメトリック関数項が含まれている。