[論文レビュー] Secure Communications in Millimeter Wave Ad Hoc Networks

Yongxu Zhu, Lifeng Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、方向性ビームフォーミングと確率的幾何学を用いて、ミリ波（mmWave）アドホックネットワークにおける物理層セキュリティを調査する。ランダムな盗聴者位置を想定した平均達成可能秘匿レートの解析的表現を導出しており、低周波数帯mmWaveと送信アレイの増加が秘匿性を向上させる一方、ビームフォーミングゲインの差異により人工ノイズは効果を示さないことを示している。

ABSTRACT

Wireless networks with directional antennas, like millimeter wave (mmWave) networks, have enhanced security. For a large-scale mmWave ad hoc network in which eavesdroppers are randomly located, however, eavesdroppers can still intercept the confidential messages, since they may reside in the signal beam. This paper explores the potential of physical layer security in mmWave ad hoc networks. Specifically, we characterize the impact of mmWave channel characteristics, random blockages, and antenna gains on the secrecy performance. For the special case of uniform linear array (ULA), a tractable approach is proposed to evaluate the average achievable secrecy rate. We also characterize the impact of artificial noise in such networks. Our results reveal that in the low transmit powerregime, the use of low mmWave frequency achieves better secrecy performance, and when increasing transmit power, a transition from low mmWave frequency to high mmWave frequency is demanded for obtaining a higher secrecy rate. More antennas at the transmitting nodes are needed to decrease the antenna gain obtained by the eavesdroppers when using ULA. Eavesdroppers can intercept more information by using a wide beam pattern. Furthermore, the use of artificial noise may be ineffective for enhancing the secrecy rate.

研究の動機と目的

• 大規模なアドホックネットワークにおけるmmWaveチャネル特性、ランダムな遮蔽、アレイゲインの秘匿性能への影響を分析すること。
• 方向性伝送とビームフォーミング下での人工ノイズが秘匿レートの向上にどの程度有効であるかを評価すること。
• 均一線形アレイ（ULA）を用いたmmWaveネットワークにおける平均達成可能秘匿レートの解析的表現を導出すること。
• 送信電力、周波数帯（低周波数帯 vs. 高周波数帯）と秘匿性能の間のトレードオフを調査すること。
• 盗聴脅威下で秘匿レートを最大化するための最適なシステムパラメータ（アレイゲイン、ビームパターン幅など）を特定すること。

提案手法

• 正当な送信機と盗聴者を2次元平面上のポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、均一線形アレイ（ULA）を用いた方向性ビームフォーミングを適用する。
• 確率的幾何学とキャンベルの定理を用いて、ライン・オブ・サイト（LoS）および非ライン・オブ・サイト（NLoS）伝搬路を考慮した干渉電力と盗聴者の平均干渉電力を計算する。
• 信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の観点から、指数積分およびラプラス変換の手法を用いて、正当受信機および盗聴者の平均達成可能秘匿レートを導出する。
• 距離に依存するLoS/NLoS遷移を閾値距離 $ d $ を用いてモデル化し、路損失指数 $ eta_{ ext{LoS}} $ および $ eta_{ ext{NLoS}} $ を導入する。
• スプライシング定理を適用して、それぞれの密度 $ ho_{ ext{LoS}} $ および $ ho_{ ext{NLoS}} $ を有するLoSおよびNLoS点過程に盗聴者を分離し、SINRの別々の解析を可能にする。
• ラプラス関数および全確率の法則を用いて、盗聴者のSINRの累積分布関数（CDF）を導出し、秘匿アウトージョン確率および秘匿レートを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveアドホックネットワークにおける方向性ビームフォーミングの使用が、ランダムな盗聴者分布下での秘匿レートに与える影響は何か？
• RQ2 mmWave周波数帯（低周波数帯 vs. 高周波数帯）が秘匿性能に与える影響は何か。特に低電力および高電力送信レームにおいては？
• RQ3 送信機におけるアレイゲインとビーム幅が、盗聴者の受信電力に与える影響を通じて秘匿レートにどのように影響するか？
• RQ4 人工ノイズはどの程度盗聴受信を劣化させることができ、どのような条件下で効果を示さないか？
• RQ5 mmWaveアドホックネットワークにおいて、平均達成可能秘匿レートを最大化するための最適な送信電力、アレイサイズ、周波数帯の設定は何か？

主な発見

• 送信電力が低いレーンでは、路損失が低く、正当受信機でのビームフォーミングゲインが高いことから、低周波数帯mmWave（例：28 GHz）がより優れた秘匿性能を達成する。
• 送信電力が増加するにつれて、指向性が高まり、干渉漏れが減少するため、秘匿レートを維持または向上させるために高周波数帯mmWave（例：60 GHz）に移行する必要がある。
• 送信機に多数のアンテナを設置することで、盗聴者のアレイゲインが低下し、特に均一線形アレイ（ULA）を用いた場合に秘匿レートが向上する。
• 広いビームパターンを持つ盗聴者は、メインビームからより多くのエネルギーを捉えることができ、結果として方向性伝送の有効性が低下する。
• 人工ノイズは、mmWaveビームの高い指向性により、空間的拡散が制限され、盗聴者が依然として信号を復調可能であるため、秘匿レートの向上に効果を示さないことが判明した。
• 平均達成可能秘匿レートの導出式は解析的に扱いやすく、確率的幾何学を用いた検証がなされており、mmWaveアドホックネットワークのセキュリティ最適化にシステムレベルでの応用が可能である。