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[국내논문] 군사 환경에서의 향상된 무선 네트워크 보안
Enhanced Wireless Network Security in Military Environments 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.41 no.11, 2016년, pp.1341 - 1348  

김진우 (Department of IT Convergence Engineering, Kumoh National Institute of Technology) ,  신수용 (Kumoh National Institute of Technology)

초록
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본 논문은 합법적 수신자와 불법적인 도청자가 함께 존재하는 Wire-Tap 채널 모델 하에서 HT-STBC (Hadamard Transformed-Space Time Block Codes)와 인위적 잡음 (Artificial Noise)을 이용한 보안 성능 향상 방법을 제안한다. 기존의 STBC와 인위적 잡음을 이용한 방법은 QPSK 이상의 변조 방식을 사용했을 때 수신자와 도청자 사이의 BER (Bit Error Rate) 차이가 제한적으로 증가하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 Hadamard 변환과 STBC를 결합한 HT-STBC와 인위적 잡음을 이용하여 수신자의 BER을 기존 방법보다 감소시키고 수신자와 도청자 사이의 BER 차이 또한 증가함을 모의실험을 통해 입증하였다. 모의실험 결과, 본 논문에서 제안한 방법을 이용하면 기존의 STBC와 인위적 잡음을 이용한 방법에 비하여 약 3dB의 성능이 향상됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose method to enhance security performance using HT-STBC with artificial noise under Wier-Tap channel model that exist with legitimate receiver and illegal eavesdropper. Conventional STBC with artificial noise scheme has a weakness that a limited increase in the BER of the diff...

Keyword

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 하지만 STBC와 인위적 잡음을 이용한 방법은 QPSK 이상의 변조 방식에서는 수신자와 도청자 간의 BER 차이가 제한적으로 증가하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 위 단점을 개산하고 기존의 방법보다 개선된 보안 성능을 갖는 hadamard 변환과 STBC를 결합한 HT-STBC와 인위적 잡음을 이용한 기법을 제안한다. HT-STBC는 hadamard 변환으로 인해 수신자 측에서는 기존과 같이 신호를 복조할 수 있지만, 도청자 측에서는 신호가 hadamard 변환 된 것을 알 수 없기 때문에 기존과 같이 복조를 시도하게 된다.
  • 만약 Eve가 도청에 성공한다면 Alice의 위치 및 목적이 발각되게 되고 이는 임무의 성패뿐만 아니라 Alice 의 생존 문제와도 직결된다. 이를 막기 위해 본 논문에서는 물리적 계층을 이용한 향상된 무선 네트워크 보안을 제공하는 방법을 제안하였다.
  • 본 논문에서는 인위적 잡음을 이용하여 도청자가 수신자에 비해 높은 BER을 갖는 HT-STBC를 이용한 전송 방법을 제안한다. 이를 위해 송신자와 합법적 수신자, 그리고 도청자를 갖는 Wire-Tap 채널 모델[4]을 가정하였다.
  • 본 논문에서는 HT-STBC와 인위적 잡음을 이용하여 물리 계층의 보안성을 개선하는 방법을 제안하였다. 기존의 STBC와 인위적 잡음을 이용하는 방법은 QPSK 이상의 변조 방식을 사용했을 때 BER 차이가 제한적으로 증가하는 문제가 있다.

가설 설정

  • 그리고 다음 타임 슬롯에서는 각각 ##를 전송한다. 이때 수신 안테나는 1개로 가정한다. *는 공액 복소 연산이며, 수신된 신호 ri는 다음과 같이 표현할 수 있다.
  • 본 논문에서는 아군이 적 지역으로 정찰·침투 임무 중의 상황을 가정하였다.
  • 본 논문에서는 인위적 잡음을 이용하여 도청자가 수신자에 비해 높은 BER을 갖는 HT-STBC를 이용한 전송 방법을 제안한다. 이를 위해 송신자와 합법적 수신자, 그리고 도청자를 갖는 Wire-Tap 채널 모델[4]을 가정하였다. 이때 Alamouti 코드를 만족하기 위하여 2개의 송신 안테나를 가지는 송신자를 Alice, 각각 하나의 안테나를 가지는 합법적 수신자와 도청자를 Bob 과 Eve라 칭하였다.
  • 그림 3에서 Alice는 BS (Base Station) 또는 AP (Access Point)이고, Bob과 Eve는 사용자이다. 그리고 도청자인 Eve는 수동적임을 가정하였다. 따라서 Eve는 오직 수신만 가능하다.
  • 는 각각 Bob과 Eve의 잡음이다. 본 시스템의 채널은 Rayleigh Fading 채널이고, 각 타임 슬롯은 독립이며, 모든 잡음은 AWGN으로 가정하였다. 그리고 이때의 각 채널과 잡음은 iid (independent and identically distributed random variables)이고 CN(0,1) 인 분포를 따른다.
  • 그리고 이때의 각 채널과 잡음은 iid (independent and identically distributed random variables)이고 CN(0,1) 인 분포를 따른다. 또한 본 시스템 모델은 시뮬레이션의 간략화와 보다 명확한 비교를 위하여 Bob이 채널 hB의 정보를 모두 알고 있는 완벽한 CSI (Channel State Information)상태를 가정하였다. 하지만 Eve는 수신만 가능한 수동적 도청자를 가정하였기 때문에 Eve는 채널 hE의 상태를 알 수 없다.
  • 본 장에서는 제안한 시스템과 기존의 STBC를 이용한 인위적 잡음 기법과의 검출 성능을 비교하였다. 이때 각 전송 신호는 독립적인 Rayleigh Fading 채널을 거치며 수신단에서 완벽한 채널 값들을 추정 가능하다고 가정하였다.
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참고문헌 (14)

  1. Y.-S. Shiu, et al., "Physical layer security in wireless networks: a tutorial," IEEE Wireless Commun., vol. 18, no. 2, pp. 66-74, Apr. 2011. 

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  3. C. E. Shannon, "Communication theory of secrecy systems," Bell System Technical J., vol. 28, no. 4, pp. 656-715, 1949. 

  4. A. D. Wyner, "The wire-tap channel," Bell System Technical J., vol. 54, no. 8, pp. 1355-1387, 1975. 

  5. S. Goel and R. Negi, "Guaranteeing secrecy using artificial noise," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 7, no. 6, pp. 2180-2189, 2008. 

  6. I. Son, I. Kim, J. Yang, and N. Lee, "Smart device security technology for cyber defense," J. KICS, vol. 37, no. 10, pp. 986-992, Oct. 2012. 

  7. J.-K. Hong, "The analysis of crypto communication relay effect in the security framework technique of network centric warfare environment," J. Korea Academia-Ind. Cooperation Soc., vol. 8, no. 4, pp. 788-794, 2007. 

  8. S. Corson and J. Macker, Mobile ad hoc networking (MANET): Routing protocol performance issues and evaluation considerations, No. RFC 2501, 1998. 

  9. S. Y. Shin and I. A. Wicaksono, "Improving wireless physical layer security using alamouti code and artificial noise," ICTC, pp. 1061-1064, 2013. 

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  11. S.-Y. Jin, J.-H. Kim, K.-H. Park, and H.-Y. Song, "Equivalence of hadamard matrices whose rows Form a vector space," J. KICS, vol. 34, no. 7, pp. 635-639, Jul. 2009. 

  12. T. S. Siadari and S. Y. Shin, "Joint hadamard transform and alamouti scheme for wireless communication system," AEU-Int. J. Electron. Commun., vol. 68, no. 9, pp. 889-891, 2014. 

  13. Y. Zou, et al., "Improving physical-layer security in wireless communications using diversity techniques," IEEE Network, vol. 29, no. 1, pp. 42-48, 2015. 

  14. X. Zhou and M. R. McKay, "Secure transmission with artificial noise over fading channels: Achievable rate and optimal power allocation," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 59, no. 8, pp. 3831-3842, 2010. 

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