[논문 리뷰] Secure Communications in Millimeter Wave Ad Hoc Networks

Yongxu Zhu, Lifeng Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 43인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 방향성 빔포밍과 스토하스틱 기하학을 사용하여 밀리미터파(mmWave) 애드혹 네트워크에서 물리계층 보안을 조사한다. 무작위로 위치한 탈취자에 대한 평균 구간 성취 속도에 대한 해석 가능한 표현을 유도하며, 저주파수 mmWave 대역과 증가된 전송 안테나 어레이가 기밀성을 향상시키는 반면, 빔포밍 이득의 차이로 인해 인공 노이즈는 효과가 없음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 애드혹 네트워크에서 mmWave 채널 특성, 무작위 차단, 안테나 어레이 이득이 기밀성 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 방향성 전송과 빔포밍 조건에서 인공 노이즈가 기밀성 속도 향상에 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 기반 ULA(일반 선형 어레이) mmWave 네트워크에서 평균 구간 성취 기밀 속도에 대한 해석 가능한 표현을 유도하기 위해.
• 전송 전력, 주파수 대역(저주파수 대비 고주파수 mmWave)과 기밀성 성능 사이의 상호 상충 관계를 조사하기 위해.
• 기밀성 위협 상황에서 기밀 속도를 최대화하기 위한 최적의 시스템 파라미터(예: 어레이 이득 및 빔 패턴 너비)를 결정하기 위해.

제안 방법

• 합리적인 송신기와 탈취자를 2차원 평면상의 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하며, 일반 선형 어레이(ULAs)를 사용한 방향성 빔포밍을 적용한다.
• 스토하스틱 기하학과 캄브의 정리를 사용하여 간섭자와 탈취자의 평균 간섭 전력 계산을 수행하며, 선로(LoS) 및 비선로(NLoS) 전파 경로를 고려한다.
• 합리적인 수신기와 탈취자에서의 신호 대 간섭 + 노이즈비(SINR)를 기반으로 지수적 적분과 라플라스 변환 기법을 사용하여 평균 구간 성취 기밀 속도를 유도한다.
• 거리에 따라 변하는 LoS/NLoS 전환을 고려한 경로 손실 모델을 사용하며, 경로 손실 지수 $ eta_{\text{LoS}} $ 와 $ eta_{\text{NLoS}} $ 를 모델링한다.
• 이토닝 정리를 적용하여 탈취자를 LoS 및 NLoS 점 프로세스로 분리하며, 각각의 밀도 $ ho_{\text{LoS}} $ 와 $ ho_{\text{NLoS}} $ 를 제공함으로써 별도의 SINR 분석을 가능하게 한다.
• 탈취자의 SINR 누적분포함수(CDF)를 라플라스 함수 및 전체 확률 법칙을 통해 유도하여 기밀성 아웃오지 확률과 기밀성 속도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위 탈취자 분포 조건에서 mmWave 애드혹 네트워크에서의 방향성 빔포밍 사용이 기밀 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 mmWave 주파수 대역(저주파수 대비 고주파수)이 기밀성 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 저전력 및 고전력 전송 영역에서 어떻게 달라지는가?
• RQ3 송신기의 어레이 이득과 빔폭이 탈취자의 수신 신호 전력에 영향을 미쳐 기밀 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 인공 노이즈를 얼마나 효과적으로 사용하여 탈취자의 수신을 악화시킬 수 있으며, 어떤 조건에서 인공 노이즈가 효과가 없어지는가?
• RQ5 mmWave 애드혹 네트워크에서 평균 구간 성취 기밀 속도를 최대화하기 위해 전송 전력, 어레이 크기, 주파수 대역의 최적 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 저전력 전송 영역에서는 경로 손실 감소와 합리적 수신기에서의 높은 빔포밍 이득으로 인해 저주파수 mmWave 대역(예: 28 GHz)에서 더 나은 기밀성 성능을 달성한다.
• 전송 전력이 증가함에 따라 간섭 유출 감소와 더불어 더 높은 방향성 특성을 확보하기 위해 고주파수 mmWave 대역(예: 60 GHz)으로의 전환 필요성이 발생한다.
• 송신기에서 더 많은 안테나를 사용할수록 탈취자에서의 어레이 이득이 감소하여 기밀성 속도 향상에 기여하며, 특히 일반 선형 어레이(ULAs) 사용 시 두드러진다.
• 넓은 빔 패턴을 가진 탈취자는 메인 빔으로부터 더 많은 에너지를 수신하므로 더 많은 정보를 가로채며, 이는 방향성 전송의 효과를 감소시킨다.
• mmWave 빔의 높은 방향성으로 인해 인공 노이즈의 공간적 확산이 제한되어 탈취자가 여전히 신호를 복원할 수 있기 때문에, 인공 노이즈가 기밀성 속도 향상에 효과가 없다는 것이 확인되었다.
• 유도된 평균 구간 성취 기밀 속도 표현은 해석 가능하며 스토하스틱 기하학을 통해 검증되었으며, 이는 mmWave 애드혹 네트워크의 보안을 위한 시스템 수준 최적화를 가능하게 한다.