[論文レビュー] Generalized Secure Transmission Protocol for Flexible Load-Balance Control with Cooperative Relays in Two-Hop Wireless Networks

Yulong Shen, Xiaohong Jiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、送信元と受信先の中点を基準として半径 r の円内に位置する k 個の最良の中継局からランダムに中継局を選択することで、盗聴者チャネルや位置情報の知識が不要な状態で、協調的中継局間での柔軟な負荷分散を実現する一般化されたセキュアな伝送プロトコル（2HR-(r,k)）を提案する。このプロトコルは、秘匿性、信頼性、負荷分散のバランスを図り、理論的分析により、最適およびランダム中継選択が特殊ケースとして包含されることを示している。また、指定された outage 制約下で所定数の盗聴者を耐容可能である。

ABSTRACT

This work considers secure transmission protocol for flexible load-balance control in two-hop relay wireless networks without the information of both eavesdropper channels and locations. The available secure transmission protocols via relay cooperation in physical layer secrecy framework cannot provide a flexible load-balance control, which may significantly limit their application scopes. This paper extends the conventional works and proposes a general transmission protocol with considering load-balance control, in which the relay is randomly selected from the first $k$ preferable assistant relays located in the circle area with the radius $r$ and the center at the middle between source and destination (2HR-($r,k$) for short). This protocol covers the available works as special cases, like ones with the optimal relay selection ($r=\infty$, $k=1$) and with the random relay selection ($r=\infty$, $k = n$ i.e. the number of system nodes) in the case of equal path-loss, ones with relay selected from relay selection region ($r \in (0, \infty), k = 1$) in the case of distance-dependent path-loss. The theoretic analysis is further 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. The analysis results also show the proposed protocol can balance load distributed among the relays by a proper setting of $r$ and $k$ under the premise of specified secure and reliable requirements.

研究の動機と目的

• 2ホップ中継ネットワーク向けの物理層セキュア伝送プロトコルにおいて、中継局間の柔軟な負荷分散制御が不足している問題に対処すること。
• 秘匿性と信頼性を維持しつつ、中継局間での動的負荷分散を可能にする一般化された伝送プロトコルを設計すること。
• 指定された秘匿性および信頼性制約下で、ネットワークが耐容可能な盗聴者の最大数を特定すること。
• 最適およびランダム中継選択といった既存プロトコルを、調整可能なパラメータ r と k を有する統一フレームワークに一般化すること。
• Rayleigh fading およびパスロスモデル下での秘匿性 outage 確率および伝送 outage 確率に関する理論的分析を提供すること。

提案手法

• 送信元と受信先の中点を中心とする半径 r の円領域内に位置する k 個の最良中継局からランダムに中継局を選択する一般化された伝送プロトコル 2HR-(r,k) を提案する。
• n 個の中継局において、min(|h_{S,R_j}|², |h_{D,R_j}|²) の k 番目に大きな値の分布を順序統計量を用いてモデル化し、中継選択性能を表現する。
• 順序統計量および指数分布確率変数の理論を応用し、選択された中継局のチャネルゲインの累積分布関数（CDF）および確率密度関数（PDF）の正確な表現を導出する。
• Rayleigh fading および等距離パスロス条件下で、秘匿性 outage 確率および伝送 outage 確率の閉形式表現を導出する。
• 導出された outage 確率を用いて、性能要件を満たす条件下でネットワークが耐容可能な盗聴者の最大数を特定する。
• 特殊ケースとして最適中継選択（r=∞, k=1）およびランダム中継選択（r=∞, k=n）が含まれることを示し、プロトコルの一般性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者チャネルや位置情報の事前知識がなくても、中継局間の負荷分散を柔軟に制御可能なセキュア伝送プロトコルを設計可能か？
• RQ2 所定の秘匿性および信頼性性能を維持する条件下で、2ホップネットワークが耐容可能な盗聴者の理論的最大数は何か？
• RQ3 パラメータ r（半径）および k（候補中継局数）は、負荷分散、伝送効率、セキュリティのトレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案されたプロトコルは、最適およびランダム中継選択といった既存のセキュア中継選択方式を一般化可能か？
• RQ5 Rayleigh fading および等距離パスロス下での秘匿性 outage 確率および伝送 outage 確率の正確な表現は何か？

主な発見

• 2HR-(r,k) プロトコルは、最適中継選択（r=∞, k=1）およびランダム中継選択（r=∞, k=n）といった既存のセキュア中継プロトコルを特殊ケースとして包含する一般化されたものである。
• 理論的分析により、パrameter r と k を適切に調整することで、必要な秘匿性および信頼性を維持しつつ中継局間の負荷分散をバランス可能であることが示された。
• 指数分布確率変数の順序統計量を用いて、選択された中継局のチャネルゲインの CDF および PDF の正確な閉形式表現が導出された。
• Rayleigh fading および等距離パスロス条件下で、秘匿性 outage 確率および伝送 outage 確率の閉形式表現が導出された。
• 指定された秘匿性および信頼性制約に基づき、ネットワークが耐容可能な盗聴者の最大数が理論的に特定された。
• パrameter r と k の調整により、負荷分散と伝送効率の柔軟なトレードオフが実現可能であり、無線センサネットワークなどのエネルギー制約環境への応用が可能である。