네트워크 간섭은 수신기 및 도청기의 디코딩을 방해함에 따라, 보안 및 서비스 품질에 긍정 및 부정적 영향을 동시에 미친다. 인공 잡음의 전송은 이러한 네트워크 간섭의 상충되는 영향을 간접적으로 제어 가능하게 한다. 본 논문은 송수신기 보안 보호 구역 및 인공 잡음 전송을 활용한 보안 성능 향상 기법을 제안하고, 확률 기하 이론을 통해 성능 이득을 분석한다. 먼저, 송수신기 사이 거리, 송수신기 보호 구역 크기에 따른 서로 다른 4가지 시나리오에 대해, 임의의 인공 잡음 전송에 대한 연결 실패 확률과 보안 실패 확률을 분석한다. 다음으로, 보안 전송율을 분석하고, 이의 최대화를 위한 최적 인공 잡음 전송 전력비를 찾는다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통해, 보호 구역 크기와 같은 다양한 시스템 파라미터들의 최적 인공 잡음 전송 전력비에 대한 영향을 살펴본다.
네트워크 간섭은 수신기 및 도청기의 디코딩을 방해함에 따라, 보안 및 서비스 품질에 긍정 및 부정적 영향을 동시에 미친다. 인공 잡음의 전송은 이러한 네트워크 간섭의 상충되는 영향을 간접적으로 제어 가능하게 한다. 본 논문은 송수신기 보안 보호 구역 및 인공 잡음 전송을 활용한 보안 성능 향상 기법을 제안하고, 확률 기하 이론을 통해 성능 이득을 분석한다. 먼저, 송수신기 사이 거리, 송수신기 보호 구역 크기에 따른 서로 다른 4가지 시나리오에 대해, 임의의 인공 잡음 전송에 대한 연결 실패 확률과 보안 실패 확률을 분석한다. 다음으로, 보안 전송율을 분석하고, 이의 최대화를 위한 최적 인공 잡음 전송 전력비를 찾는다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통해, 보호 구역 크기와 같은 다양한 시스템 파라미터들의 최적 인공 잡음 전송 전력비에 대한 영향을 살펴본다.
The network interference gives positive and negative effects to security and QoS simultaneously by disturbing the decoding of receiver and eavesdropper. The transmission of artificial noise enables to indirectly control these contradicting effects. This paper proposed the secrecy enhancement techniq...
The network interference gives positive and negative effects to security and QoS simultaneously by disturbing the decoding of receiver and eavesdropper. The transmission of artificial noise enables to indirectly control these contradicting effects. This paper proposed the secrecy enhancement technique via artificial noise with protected zones of transmitter and receiver and investigated its gain by using stochastic geometry. For given arbitrary artificial noise power ratio, we first analyzed connection outage probability and secrecy outage probability for four different scenarios (separated, overlapped, included secrecy protected zones- type A, B) according to distance and size of protected zones of the transmitter and receiver. We then derive the secrecy transmission rate and find the optimal artificial noise power ratio to maximize it. Finally, with numerical examples, we investigate the effects of the system parameters such as size of protected zones of transmitter and receiver on the optimal artificial noise power ratio.
The network interference gives positive and negative effects to security and QoS simultaneously by disturbing the decoding of receiver and eavesdropper. The transmission of artificial noise enables to indirectly control these contradicting effects. This paper proposed the secrecy enhancement technique via artificial noise with protected zones of transmitter and receiver and investigated its gain by using stochastic geometry. For given arbitrary artificial noise power ratio, we first analyzed connection outage probability and secrecy outage probability for four different scenarios (separated, overlapped, included secrecy protected zones- type A, B) according to distance and size of protected zones of the transmitter and receiver. We then derive the secrecy transmission rate and find the optimal artificial noise power ratio to maximize it. Finally, with numerical examples, we investigate the effects of the system parameters such as size of protected zones of transmitter and receiver on the optimal artificial noise power ratio.
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문제 정의
본 논문에서는 송수신기 각각 서로 다른 크기의 보호 구역을 가지고, 도청기가 보호 구역 외부에서 도청을 시도할 때, 보호 구역 크기에 따른 서로 다른 4가지 시나리오에 대해, 네트워크 보안 향상을 위한 최적 인공 잡음 전송 방법을 탐구한다. 이를 위해 먼저 확률 기하 이론을 바탕으로, 연결 실패 확률 및 보안 실패 확률을 분석하고, 보안 전송율 최대화를 위한 최적 인공 잡음 전송 전력비를 찾는다.
본 논문에서는 확률 기하 이론적 접근을 통해, 송,수신기의 보호 구역 및 최적 인공 잡음 활용에 따른 보안 성능 향상 이득을 분석하였다. 연결 실패 확률 및 보안 실패 확률은 송, 수신기 사이의 거리와 송, 수신기의 보호 구역 크기에 따라 달라지고, 최적 인공 잡음 전송은 이러한 연결 및 보안 실패 확률의 트레이드 오프를 적절하게 조절함에 따라, 보안 전송율을 최대화 시킬 수 있다.
가설 설정
그림 1은 송신기(Alice)가 수신기(Bob)에 보안 메시지를 전송하고, 임의로 위치한 도청기들 (Eves)이 송신기의 메시지를 도청하고 있고, 복수 개의 간섭원들 (Interferers)이 Bob과 Eves에 동시에 간섭을 미치고 있는 애드혹 네트워크를 나타낸다. Alice와 Bob은 2D 평면에서 각각 원점과 (d,0)에 위치함을 가정한다. Alice와 Bob은 주변에 각각 서로 다른 크기의 도청으로부터 자유로운 보호 구역 (Eve들이 존재할 수 없는 특정 영역)을 가진다.
네트워크 내의 모든 노드들은 단일 안테나를 가지며, Alice는 모든 노드들에 대한 채널 정보(Channel State Information)가 없으며, Bob까지의 거리 d 에 대한 정보만 가지고 있음을 가정한다. 네트워크 간섭에 비해 열 잡음이 거의 무시될 수 있을 정도로 작은 간섭 우세 환경을 가정한다.
d) 평균이 1인 지수분포(exponential)를 따름을 가정한다. 네트워크 내의 모든 노드들은 단일 안테나를 가지며, Alice는 모든 노드들에 대한 채널 정보(Channel State Information)가 없으며, Bob까지의 거리 d 에 대한 정보만 가지고 있음을 가정한다. 네트워크 간섭에 비해 열 잡음이 거의 무시될 수 있을 정도로 작은 간섭 우세 환경을 가정한다.
각 노드들은 동일한 전송 전력 P를 가지며, 모든 전송 신호들은 지수승 α의 신호 감쇄(pathloss exponent)를 겪는다. 모든 채널 페이딩 이득은 독립적이고 동일한 (independent and identically distributed: i.i.d) 평균이 1인 지수분포(exponential)를 따름을 가정한다. 네트워크 내의 모든 노드들은 단일 안테나를 가지며, Alice는 모든 노드들에 대한 채널 정보(Channel State Information)가 없으며, Bob까지의 거리 d 에 대한 정보만 가지고 있음을 가정한다.
제안 방법
Alice의 보호 구역 반지름이 Rp1이고, Bob의 보호 구역 반지름이 Rp2일 때, 보안 실패 확률을 분석한다. 식(4)의 보안 실패 확률은 다음과 같이 쓸 수 있다.
이를 위해 먼저 확률 기하 이론을 바탕으로, 연결 실패 확률 및 보안 실패 확률을 분석하고, 보안 전송율 최대화를 위한 최적 인공 잡음 전송 전력비를 찾는다. 마지막으로, 다양한 실험 평가를 통해 분석된 이론적 결과들을 검증하고, 보호 구역 반지름, 최대 허용 가능 연결/보안 실패 확률 등 다양한 시스템 파라미터에 따른 최적 인공 잡음 전력비의 변화와 보안 향상 이득을 살펴 본다.
본 논문에서는 송수신기 각각 서로 다른 크기의 보호 구역을 가지고, 도청기가 보호 구역 외부에서 도청을 시도할 때, 보호 구역 크기에 따른 서로 다른 4가지 시나리오에 대해, 네트워크 보안 향상을 위한 최적 인공 잡음 전송 방법을 탐구한다. 이를 위해 먼저 확률 기하 이론을 바탕으로, 연결 실패 확률 및 보안 실패 확률을 분석하고, 보안 전송율 최대화를 위한 최적 인공 잡음 전송 전력비를 찾는다. 마지막으로, 다양한 실험 평가를 통해 분석된 이론적 결과들을 검증하고, 보호 구역 반지름, 최대 허용 가능 연결/보안 실패 확률 등 다양한 시스템 파라미터에 따른 최적 인공 잡음 전력비의 변화와 보안 향상 이득을 살펴 본다.
이론/모형
간섭원 및 Eve들은 2D 평면의 임의의 위치에 존재하며, 이를 밀도λI와 λE의 독립 균등 푸아송 포인트 프로세스(Poisson Point Process)로 모델링 한다.
성능/효과
2장에서 분석된 이론적 결과값(theo로 표기)이 실제 환경에서의 시뮬레이션 성능 결과값(sim로 표기)과 일치하는 것을 보여준다. 그림 3-(a)는 Alice와 Bob 사이의 거리가 증가함에 따라, 연결 실패 확률이 증가함을 보여준다. 그림 3-(b)는 Alice와 Bob의 보호 구역이 커짐에 따라, 보안 실패 확률이 감소하는 것을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
네트워크 간섭은 어디에 영향을 끼치는가?
네트워크 간섭은 수신기 및 도청기의 디코딩을 방해함에 따라, 보안 및 서비스 품질에 긍정 및 부정적 영향을 동시에 미친다. 인공 잡음의 전송은 이러한 네트워크 간섭의 상충되는 영향을 간접적으로 제어 가능하게 한다.
최근 물리계층에서 개발된 고도의 보안 기술은 어떤 것이 있는가?
최근 스마트폰과 같은 무선 통신 기기의 보급으로 인해 모바일 뱅킹, 전자 결제 등 다양한 서비스가 이루어짐에 따라, 고도의 보안 기술이 요구 되고 있다. 최근, 물리 계층에서의 네트워크 보안 향상 방안에 대한 관심이 증가함에 따라, 보호 구역(protected zone) 설치, 인공 잡음(artificial noise) 전송, 방향성 안테나를 통한 섹터화 전송(sectored transmission)등 다양한 보안 향상 기법들이 개발되었다[1-5]. 최근, [4, 5]에서, 송신기가 하나의 보호구역을 가질 때, 인공 잡음 활용에 따른 보안 향상 이득에 관한 연구가 진행되었으나, 아직까지 송수신기가 동시에 보호 구역을 가질 때, 최적 인공 잡음 활용 방안에 대한 연구는 이루어지지 않았다.
최근 고도의 보안 기술이 요구되는 이유는?
최근 스마트폰과 같은 무선 통신 기기의 보급으로 인해 모바일 뱅킹, 전자 결제 등 다양한 서비스가 이루어짐에 따라, 고도의 보안 기술이 요구 되고 있다. 최근, 물리 계층에서의 네트워크 보안 향상 방안에 대한 관심이 증가함에 따라, 보호 구역(protected zone) 설치, 인공 잡음(artificial noise) 전송, 방향성 안테나를 통한 섹터화 전송(sectored transmission)등 다양한 보안 향상 기법들이 개발되었다[1-5].
참고문헌 (6)
N. Romero-Zurita, D. McLernon, M. Ghogo, and A. Swami, "PHY layer security based on protected zone and artificial noise," IEEE Signal Processing Letters, vol. 20, no. 5, pp. 487-490, May 2013.
P. C. Pinto, J. Barros, and M. Z. Win, "Secure Communication in stochastic wireless networks-Part I: Connectivity," IEEE Trans. Info. Foren. and Security, vol. 7, no. 1, pp. 125-138, Feb. 2012.
M. Ghogo and A. Swami, "Physical-layer secrecy of MIMO communications in the presence of a Poisson random field of eavesdroppers," in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC), Kyoto, Japan, pp. 1-5, Jun. 2011.
S. H. Chae, W. Choi, J. H. Lee, and T. Q. S. Quek, "Enhanced secrecy in stochastic wireless networks: Artificial noise with secrecy protected zones," IEEE Trans. Info. Forens. and security, vol. 9, no. 10, pp. 1617-1628, Oct. 2014.
X. Zhou, R. Ganti, J. Andrews, and A. Hjorungnes, "On the throughput cost of physical layer security in decentralized wireless networks," IEEE Trans. on Wireless Commun., vol. 10, no. 8, pp. 2764-2775, Aug. 2011.
H. S. Dhillon, R. K. Ganti, F. Baccelli, and J. G. Andrews, "Modeling and analysis of K-tier downlink heterogeneous cellular networks," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 30, no. 3, pp. 550-560, Apr. 2012.
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