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문제 정의
- 본 절에서는 PAC 모형에서 물리 계층의 특성을 이용한 보안 전송 방법에 대한 두 가지 연구 결과를 소개하도록 하겠다. 첫 번째는 센서 검출 정보의 확률적 암호화 기법이고, 두 번째는 무선 채널의 무작위한 특성을 이용한 채널 인지 암호화 기법이다.
- 본 절에서는 채널 인지 암호화 기법을 MAC (multiple access channel) 환경에 적용하는 방법을 소개하도록 하겠다. PAC 환경과는 다르게 MAC 환경에서는 하나의 채널을 모든 센서들이 공유한다.
- 본고에서는 무선 센서 네트워크가 분산 검출 (distributed detection)을 수행할 때 통신 물리계층에서 적용 가능한 보안 연구들을 소개하고자 한다.
- 본고에서는 무선 센서 네트워크가 분산검출을 수행 시 EFC의 도청을 방지할 수 있는 물리계층 보안 기술들을 살펴보았다. 살펴본 물리계층 보안 기술들은 무선 채널의 무작위성과 같은 물리계층의 자원을 적절히 활용하면 단순한 연산과정만으로도 강력한 보안을 제공할 수 있음을 보여준다.
- 분산 검출을 위한 무선 센서 네트워크에서도 검출 정보의 기밀성을 보장하는 물리 계층 보안 기술들이 소개되었다[7-11]. 본고에서는 최근 소개된 무선 센서 네트워크에 적용 가능한 물리계층 보안 기술인 확률적 암호화 기법 (stochastic encryption) [7][8]과 무선 채널의 무작위성을 이용한 채널 인지 암호화 기법 (channel aware encryption) [10][11]을 소개하고자 한다. 두 기술 모두 적 융합센터 (enemy fusion center, EFC)가 센서들의 전송 정보를 도청한다는 가정아래 센서들이 각자의 검출 정보를 아군 융합 센터 (ally fusion center, AFC)에 전송한다.
가설 설정
- 또한, 각 센서로부터 EFC로의 채널 #도 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는다고 가정한다. AFC와 EFC는 충분한 거리 (주파수의 반 파장 이상)를 두고 위치하여 #와 #는 서로 독립적인 상황이고, 채널 상관시간 (coherent time) 동안에는 채널 이득 값이 일정한 블록 페이딩 환경을 따른다고 가정한다.
- 이 때, AFC가 n번째 센서로부터 수신한 정보를 #이라고 정의한다. AFC의 일반적인 수신 신호 모형에서는 채널 페이딩 (fading)과 잡음에 의한 영향을 고려하지만 확률적 암호화 기법에서는 분석의 용이성을 위해 무잡음 (noiseless) 채널을 가정한다. 따라서 AFC는 각 센서의 지역 검출 값을 오류 없이 수신한다(# = un, n = 1, 2, .
- 를 모르는 상황에서 U를 검출해야 한다. EFC에게는 최상의 시나리오를 가정하여 EFC는 무 잡음 채널을 통해서 센서의 전송 신호를 수신한다고 가정하겠다. 따라서 #이고 EFC에서의 최적 융합 규칙은 다음과 같이 유도된다.
- 가정 1: 각 그룹에 속하는 센서의 수가 같다. (N1 = N2)
- 가정 3: 센서들의 지역 결정 값들은 조건부 독립이다.
- 가정 4: N1과 N2가 서로 독립이고 동일한 분포를 따른다.
- 로 표기 한다. 각 센서들은 sn을 전송하기에 앞서 파일럿 신호를 전송한다고 가정한다. 파일럿 신호를 통해 AFC와 EFC는 각각 #와 #를 추정할 수 있지만, #와 #가 서로 독립이기 때문에 EFC에서 #의 추정은 불가능하다.
- 각 센서로부터 AFC로의 채널 #은 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는다고 가정한다. 또한, 각 센서로부터 EFC로의 채널 #도 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는다고 가정한다.
- 각 센서는 추정된 채널 이득의 크기를 기준으로 서로 분리된 두 개의 그룹 G1, G2 중 한 그룹에 속하게 된다. 그룹 G1에 속하는 센서들은 그룹 G2에 속하는 센서들보다 더 강한 채널 이득을 갖도록 그룹을 나누며 그룹을 결정하는 채널 이득의 크기에 대한 경계 값들은 각 센서들에 미리 저장되어있다고 가정한다. 따라서, 채널 이득의 통계적인 분포를 고려하면 각 그룹에 속하는 평균 센서수를 조절 할 수 있는 임계 값을 결정할 수 있다.
- 본고에서는 최근 소개된 무선 센서 네트워크에 적용 가능한 물리계층 보안 기술인 확률적 암호화 기법 (stochastic encryption) [7][8]과 무선 채널의 무작위성을 이용한 채널 인지 암호화 기법 (channel aware encryption) [10][11]을 소개하고자 한다. 두 기술 모두 적 융합센터 (enemy fusion center, EFC)가 센서들의 전송 정보를 도청한다는 가정아래 센서들이 각자의 검출 정보를 아군 융합 센터 (ally fusion center, AFC)에 전송한다. 본고에서 소개할 암호화 기술은 물리계층의 자원 및 기술을 이용하여AFC는 센서의 전송 정보로부터 목표물의 상태를 정확히 검출하면서, EFC는 목표물의 최종 상태를 검출할 수 없도록 하는 기술이다.
- 은 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는다고 가정한다. 또한, 각 센서로부터 EFC로의 채널 #도 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는다고 가정한다. AFC와 EFC는 충분한 거리 (주파수의 반 파장 이상)를 두고 위치하여 #와 #는 서로 독립적인 상황이고, 채널 상관시간 (coherent time) 동안에는 채널 이득 값이 일정한 블록 페이딩 환경을 따른다고 가정한다.
- 본 절에서는 EFC의 목표물에 대한 검출 성능을 분석하기 위해 EFC에게 최상의 시나리오를 가정한다. 즉, EFC는 무 잡음 채널을 통해서 센서들로부터 전송 신호를 수신한다고 가정한다.
- 목표물을 검출 하려는 센서 네트워크는 다수의 센서들과 AFC로 구성되어있다. 본고에서는 목표물 주변에 N개의 센서가 배치되어있는 상황을 가정한다. 센서들은 목표물의 상태를 검출하여 지역 결정 값 (local decision)을 도출하고 이를 AFC로 전송한다.
- 센서들은 목표물의 상태를 검출하여 지역 결정 값 (local decision)을 도출하고 이를 AFC로 전송한다. 본고에서는 분산 검출 시 사용하는 한정된 주파수 대역폭을 고려하여 각 센서들은 이진신호로 지역 결정 값을 양자화 한다고 가정한다. AFC는 센서들로부터 수집한 지역 결정 값을 바탕으로 목표물의 상태에 대한 최종 결정을 내린다.
- 본고에서는 에서와 같이 검출 대상인 목표물이 두 가지 상태를 가지는 이진 (binary) 분산 검출 시스템을 가정하도록 한다.
- 본 절에서는 EFC의 목표물에 대한 검출 성능을 분석하기 위해 EFC에게 최상의 시나리오를 가정한다. 즉, EFC는 무 잡음 채널을 통해서 센서들로부터 전송 신호를 수신한다고 가정한다. 따라서 EFC의 수신신호는 다음과 같이 표현된다.
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