[논문 리뷰] Wireless Surveillance of Two-Hop Communications

Ganggang Ma, Jie Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 25.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 10인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 두 홉 불법 통신을 위한 허프-디플렉스 무선 감시 프레임워크를 제안한다. 합법적 모니터는 수신 감시, 첫 번째 홉에서의 소음 잡음 공격, 또는 두 번째 홉에서의 하이브리드 잡음 공격 중에서 적응적으로 선택하여 감시율을 최대화한다. 모드 선택과 잡음 공격 전력의 공동 최적화를 통해, 특히 저SINR 환경에서 개별 모드보다 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Wireless surveillance is becoming increasingly important to protect the public security by legitimately eavesdropping suspicious wireless communications. This paper studies the wireless surveillance of a two-hop suspicious communication link by a half-duplex legitimate monitor. By exploring the suspicious link's two-hop nature, the monitor can adaptively choose among the following three eavesdropping modes to improve the eavesdropping performance: (I) \emph{passive eavesdropping} to intercept both hops to decode the message collectively, (II) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{noise jamming}} over the first hop, and (III) \emph{proactive eavesdropping} via {\emph{hybrid jamming}} over the second hop. In both proactive eavesdropping modes, the (noise/hybrid) jamming over one hop is for the purpose of reducing the end-to-end communication rate of the suspicious link and accordingly making the interception more easily over the other hop. Under this setup, we maximize the eavesdropping rate at the monitor by jointly optimizing the eavesdropping mode selection as well as the transmit power for noise and hybrid jamming. Numerical results show that the eavesdropping mode selection significantly improves the eavesdropping rate as compared to each individual eavesdropping mode.

연구 동기 및 목표

• 모니터가 소스로부터 멀리 떨어져 있을 경우 두 홉 불법 통신에 대한 효과적인 감청을 해결하기 위해.
• 채널 이득이 낮은 상황에서 수동 감청의 한계를 극복하기 위해 능동적 잡음 공격 전략을 활용하기 위해.
• 풀디플렉스 자기 간섭 제거 및 메시지 포워딩의 하드웨어 복잡성을 피하기 위해 허프-디플렉스 감시 시스템을 설계하기 위해.
• 감청 모드 선택과 전송 전력 할당의 공동 최적화를 통해 감청율을 극대화하기 위해.
• 불법 링크의 다중 홉 특성을 활용하여 개선된 간섭 성능를 제공하는 실용적인 감시 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모니터는 허프-디플렉스 모드로 작동하여 세 가지 감청 모드 중에서 적응적으로 선택 가능하다: 양 홉에서의 수동 감청, 첫 번째 홉에서의 소음 잡음 공격, 두 번째 홉에서의 하이브리드 잡음 공격.
• 수동 감청(모드 I)의 경우, 모니터는 최대 비율 병합(MRC)을 사용하여 두 홉의 신호를 결합하여 신호 검출 성능을 향상시킨다.
• 소음 잡음을 통한 능동적 감청(모드 II)의 경우, 모니터는 첫 번째 홉에 인위적 소음을 전송하여 Bob의 SINR을 악화시키고 종단 간 속도를 감소시킨다.
• 하이브리드 잡음을 통한 능동적 감청(모드 III)의 경우, 모니터는 Alice로부터 청취한 신호를 인위적 소음과 함께 포워딩하여 Bob에서 간섭을 유도한다.
• 감청 모드 선택과 잡음 공격 전력 할당을 동시에 최적화하기 위해 통합 최적화 프레임워크를 사용한다. 이는 감청율을 극대화하기 위한 것이다.
• 최적화 문제는 볼록 완화와 1차 도함수 분석을 통해 해결되며, 최적의 전력 할당과 beamforming 계수에 대한 닫힌 형태의 수식이 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 감청과 능동 감청 간의 성능는 두 홉 무선 감시에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 첫 번째 홉에서의 소음 잡음 공격 또는 두 번째 홉에서의 하이브리드 잡음 공격이 수동 감청을 초월하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 모니터가 Alice와 Bob에 비해 위치하는 것에 따라 최적의 감청 모드 선택은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 path loss와 fading은 두 홉 감시 설정에서 감청율과 모드 선택에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모드 선택과 잡음 공격 전력의 공동 최적화는 고정 모드 전략에 비해 감청 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 감청 모드 선택과 잡음 공격 전력 할당의 공동 최적화는 어떤 개별 모드보다도 훨씬 높은 감청율을 달성한다.
• 모니터가 Alice나 릴레이에 가까이 있을 경우, 병합된 신호 이득이 종단 간 불법 링크 속도를 초과하면 수동 감청(모드 I)이 최적이다.
• 수동 감청이 실패하는 저SINR 환경에서는, 모니터가 Alice에 더 가까울 경우 모드 II(첫 번째 홉에서의 소음 잡음 공격)를 선택하고, Bob에 더 가까울 경우 모드 III(두 번째 홉에서의 하이브리드 잡음 공격)를 선택한다.
• Rayleigh fading 채널에서의 수치 결과는 적응형 모드 선택 기법이 고정 모드 접근보다 더 높은 평균 감청율을 달성함을 보여주며, 10,000개의 채널 실현값에서 성능 향상이 확인된다.
• 최적의 beamforming 계수와 잡음 공격 전력 할당은 닫힌 형태로 유도되었으며, 반복적 방법 없이도 효율적인 구현이 가능하다.
• 허프-디플렉스 설계는 복잡한 자기 간섭 제거와 실시간 메시지 포워딩이 필요 없게 하여 이전의 풀디플렉스 접근보다 더 실용적이다.