[논문 리뷰] On Eavesdropper-Tolerance Capability of Two-Hop Wireless Networks

Yanchun Zhang, Yulong Shen외 2명|Victoria University Research Repository (Victoria University)|2013. 12. 13.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 37인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 협동 잡음 기법과 기회적 릴레이를 활용하여 신뢰성과 기밀성을 유지하면서 두 홉 무선 네트워크가 견딜 수 있는 탈취자 최대 수를 결정하기 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. 중심극한정리와 확률적 순서 이론을 통해 기밀성 장애 확률(SOP)과 전송 장애 확률(TOP)을 모델링하여 실용적인 fading 조건 하에서 탈취자 견딜 능력을 정량화하는 닫힌 형태의 표현식을 도출한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신뢰성과 기밀성을 유지하면서 두 홉 무선 네트워크가 견딜 수 있는 탈취자 최대 수를 정량화하기 위한 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• Rayleigh fading 조건 하에서 기밀성 장애 확률(SOP)과 전송 장애 확률(TOP)을 모델링하여 기밀성과 신뢰성을 공동 최적화하기 위해.
• 기밀성 키 분배나 고복잡도 하드웨어에 의존하지 않고도 보안성을 향상시키기 위해 협동 잡음 기법과 기회적 릴레이를 활용하기 위해.
• 중심극한정리를 사용하여 SOP와 TOP에 대한 닫힌 형태의 근사식을 유도하여 분석의 용이성을 확보하기 위해.
• 실용적 제약 조건 하에서 네트워크의 탈취자 견딜 능력을 특성화하기 위해 확률적 순서 이론을 적용하기 위해.

제안 방법

• Rayleigh fading 채널을 위한 지수형 랜덤 변수를 사용하여 두 홉 네트워크의 엔드투엔드 채널 이득을 모델링한다.
• 서로 독립이고 동일한 분포를 가진 랜덤 변수들의 합을 근사하기 위해 중심극한정리를 적용하여, SOP와 TOP의 닫힌 형태 모델링을 가능하게 한다.
• 선택된 릴레이의 채널 이득의 확률 분포를 순서 통계와 두 개의 지수형 변수의 최소값을 사용하여 유도한다.
• 전체 확률 법칙과 릴레이 선택 변수에 대한 통합을 통해 결합 장애 확률을 계산한다.
• 간섭 전력에 대해 혼합형 분포를 도입하고 분석의 용이성을 확보하기 위해 정규 분포로 근사한다.
• 확률적 순서 이론을 활용하여 다양한 수의 탈취자에 대한 시스템 성능을 비교하고 탈취자 견딜 한계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 목표 기밀성 장애 확률을 유지하면서 두 홉 무선 네트워크가 견딜 수 있는 탈취자 최대 수는 얼마인가?
• RQ2 협동 잡음 기법과 기회적 릴레이의 조합이 네트워크의 신뢰성과 기밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중심극한정리를 사용하여 Rayleigh fading 조건 하에서 기밀성 장애 확률(SOP)과 전송 장애 확률(TOP)에 대한 닫힌 형태의 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ4 릴레이 수와 탈취자 수는 시스템의 탈취자 견딜 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 채널 fading과 릴레이 선택 다양성은 네트워크가 안전하고 신뢰성 있는 통신을 유지하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 논문은 중심극한정리를 사용하여 기밀성 장애 확률(SOP)에 대한 닫힌 형태의 근사식을 도출하여 탈취자 견딜 능력에 대한 분석을 용이하게 한다.
• 전송 장애 확률(TOP)은 지수형 랜덤 변수의 순서 통계를 사용하여 모델링되었으며, 릴레이 간섭 전력의 합에 대해 정규 근사를 적용하였다.
• 탈취자 견딜 능력은 SOP가 사전 정의된 임계값 이하로 유지되는 최대 탈취자 수로 정량화되었으며, 이는 확률적 순서 이론을 통해 유도되었다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 모델의 정확성을 검증하였으며, 중간에서 큰 수의 릴레이를 가진 경우 간섭 전력에 대한 정규 근사가 진짜 분포와 밀접하게 일치함을 보였다.
• 이 프레임워크는 협동 잡음 기법이 보안성을 크게 향상시켜 신뢰성에 영향을 주지 않으면서도 더 많은 탈취자를 견딜 수 있음을 시사한다.
• 성공적인 전송과 기밀성의 동시 확률을 위한 유도된 표현식에는 초함수 항이 포함되어 있어 비대칭 채널 조건 하에서도 정밀한 성능 평가가 가능하다.