[논문]타일 기반 주파수 도약 첩 대역 확산 기법

이철호; 이병규; 주현

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.988

타일 기반 주파수 도약 첩 대역 확산 기법
Tile Based Frequency Hopping Chirp Spread Spectrum Technique 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.988 - 995

이철호 (Research Center of C4I, LIGNex1) , 이병규 (Research Center of C4I, LIGNex1) , 주현 (Research Center of C4I, LIGNex1)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 저피탐(LPI)/항재밍(AJ) 성능이 우수한 타일 기반 주파수 도약 첩 대역 확산(TBFH-CSS) 기법을 제안한다. 기존 주파수 도약 첩 확산(FH-CSS) 기법은 신호 주기와 대역폭이 일정한 단일 첩 신호로 주파수 도약을 수행하여 추적 재머가 쉽게 신호를 탐지하고 재밍 공격을 할 수 있다. 제안한 TBFH-CSS 기법은 단위 시간과 단위 대역폭으로 이루어진 기준 타일의 조합으로 첩 신호를 생성하여 신호 주기와 대역폭이 일정하지 않아 추적 재머가 신호를 탐지하고 효과적으로 재밍하기 어렵다. 추적 재머를 이용한 재밍 공격 시 기존 FH-CSS 기법과 제안한 TBFH-CSS 기법의 저피탐/항재밍 성능을 비교하여 TBFH-CSS 기법이 저피탐/항재밍 성능이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose the Tile Based Frequency Hopping - Chirp Spread Spectrum(TBFH-CSS) technique, which has excellent Low Probability of Intercept(LPI)/Anti-Jamming(AJ) performance. Conventional Frequency Hopping - Chirp Spread Spectrum(FH-CSS) technique uses only single chirp signal, that makes the follower jammer easy to find and jam. However, proposed TBFH-CSS uses various kind of chirp signals which are generated according to the structure of basis tile, it is composed the basis time unit and the basis bandwidth unit. The TBFH-CSS signal has variety signal period and signal bandwidth. Therefore, the follower jammer hard to find and difficult to jam the TBFH-CSS signal. We analysis the LPI/AJ performance of the TBFH-CSS technique when the follow jamming attack exist and compared with the performance of the conventional FH-CSS technique. From the analysis, we can see the proposed TBFH-CSS technique has better LPI/AJ performance than conventional technique.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Follower jamming concept
그림 Fig. 2 Basis tile on the time-frequency plan
그림 Fig. 3 TBFH-CSS chirp signals
그림 Fig. 4 TBFH-CSS frequency hopping procedure
그림 Fig. 5 TBFH-CSS system block diagram
그림 Fig. 6 Chirp signal set (N, K)
그림 Fig. 7 Follower jammer operating procedure
그림 Fig. 8 Detection probability for several values of N
그림 Fig. 9 Detection probability for several values of K
그림 Fig. 10 Detection probability for N × K = 16 cases
그림 Fig. 11 Effective jamming area
그림 Fig. 12 Effective jamming ratio for several values of N
그림 Fig. 13 Effective jamming ratio for several values of K
그림 Fig. 14 Effective jamming ratio for N × K = 16 cases

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 추적 재밍 공격에 강인한 TBFH-CSS 기법을 제안하고, 추적 재밍 공격이 이루어지는 경우의 신호 탐지 확률과 유효 재밍율을 분석하였다. 제안한TBFH-CSS 기법은 첩 신호의 주기와 대역폭을 달리하는 다양한 첩 신호를 사용하여, 단일 첩 신호를 사용하는 기존 FH-CSS 기법에 비해 저피탐/항재밍 성능이 우수한 것을 모의실험 결과를 통해 확인하였다.
본 논문에서는 추적 재밍 공격에도 안정적으로 통신할 수 있는 새로운 통신 기법으로 타일 기반 주파수 도약 첩 대역 확산(TBFH-CSS: Tile Based Frequency Hopping – Chirp Spread Spectrum) 기법을 제안한다.
통신을 위하여 일정 시간과 주파수 자원을 할당하는 방식이 다중접속 기법 가운데 하나인 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기법과 유사하나, TBFH-CSS는 다양한 첩 신호를 생성하여 저피탐/항재밍 성능을 증대시키는데 목적이 있다 .

가설 설정

추적구간 동안 수신 신호의 에너지를 계산하여 에너지가 문턱 값 이상이 되는 경우를 신호 탐지로 정의한다. 본 논문에서는 이상적인 채널을 가정하여 추적 재머가 추정한 도약 신호의 추적 구간 에너지를 문턱 값으로 설정한다. T_jam 재밍 주기에서 신호 탐지 용도로 사용하는 탐지 구간 T_follow의 비를 p_follow로 정의하여 추적 재머의 Pfollow설정에 따른 FH-CSS 기법과 TBFH-CSS 기법의 평균 탐지 확률 P_detect로 저피탐 성능을 확인한다.

제안 방법

본 논문에서는 이상적인 채널을 가정하여 추적 재머가 추정한 도약 신호의 추적 구간 에너지를 문턱 값으로 설정한다. T_jam 재밍 주기에서 신호 탐지 용도로 사용하는 탐지 구간 T_follow의 비를 p_follow로 정의하여 추적 재머의 Pfollow설정에 따른 FH-CSS 기법과 TBFH-CSS 기법의 평균 탐지 확률 P_detect로 저피탐 성능을 확인한다.
신호 지속 시간과 대역폭이 일정하지 않은 TBFH-CSS 신호를 수신하는 경우 T_jam과B_jam을 확정하지 못해 재밍 공격을 수행하지 못하거나 임의의 T_jam, B_jam으로 재밍 공격을 수행하게 된다. 본 논문에서는 추적 재머가 일정 시간 신호를 수집하고 이의 평균값으로 T_jam, B_jam을 결정한다.
추적 구간에 신호를 탐지한 경우 신호가 탐지된 재밍 대역으로 재밍 공격을 수행한다. 선형 첩 신호의 추적 재머에 의한 재밍율은 재밍공격에 의해 영향을 받는 유효 재밍 구간과 유효 대역폭의 시간-주파수 영역 A_{eff - jam}과 전체 첩 신호의 시간- 주파수 영역 A_chirp의 비를 평균 유효 재밍율 P_{eff - jam}으로 정의하여 항재밍 성능을 분석한다.
신호 분석 단계는 탐색된 도약 신호를 분석하여 도약 신호의 지속시간 T_hop과 점유대역폭 B_hop을 추정한다. 이를 기반으로 재밍 공격을 수행하는 재밍 주기 T_jam과 재밍 대역폭 B_jam을 결정한다. 도약 신호 추적 단계는 T_jam 주기로 도약하는 신호를 탐지하여 재밍 공격을 수행하기 위한 주파수 대역을 결정한다.
추적 재머를 이용한 재밍 공격 시 기존 FH-CSS 기법과 제안한 TBFH-CSS 기법의 저피탐/항재밍 성능을 모의시험을 통해 분석한다. 추적 재머는 재밍 공격에 앞서 대상 신호를 수집, 분석하여 재밍 주기 T_jam과 재밍 대역폭 B_jam을 결정한다.
주기로 추적 단계와 재밍 단계를 수행하게 된다. 탐지기(Detector)는 추적 재머의 추적 시간 T_follow 구간에서 B_jam 대역폭으로 신호를 탐지하여 탐지된 대역에 재밍 공격을 수행한다.
통신을 위해 할당된 전체 시간과 주파수 대역을 앞서 정의한 기준 타일로 나누어 TBFH-CSS 통신을 수행하기 위한 전체 타일을 구성한다. 타일은 시간-주파수 평면에 단위 시간과 단위 대역폭을 가지는 격자 형태로 그림 2와 같이 나타낼 수 있다.

성능/효과

동일한 개수의 첩 신호를 사용하는 경우에도 N , K구성 방식에 따라 큰 성능 차이가 발생함을 확인하여 저피탐/항재밍 성능을 최대화하기 위한 최적의 N , K 조합을 선택해야함을 확인하였다.
제안한 TBFH-CSS 기법은 단위 시간과 단위 대역폭으로 이루어진 기준 타일의 조합으로 첩 신호를 생성하여 신호 처리 기법 개발 및 구현이 용이한 장점이 있고, 타일을 기반으로 개발한 알고리즘은 다중접속, 자원할당 등 자원관리 분야에 활용이 가능하다. 추후 타일 기반 주파수 도약 첩 확산 기법을 적용한 통신 시스템을 구현하여 추적 재밍 공격 상황에서의 통신 성능을 분석할 계획이다.
TBFH-CSS 기법은 단위 시간과 단위 주파수를 타일로 정의하고 첩 신호의 시작 시간과 종료 시간, 시작 주파수와 종료 주파수를 매 도약 주기마다 변경하여 다양한 첩 신호를 생성할 수 있다. 제안한 TBFH-CSS 기법은 시간, 주파수 다양성을 기반으로 저피탐/항재밍 성능을 향상 시킨다.
본 논문에서는 추적 재밍 공격에 강인한 TBFH-CSS 기법을 제안하고, 추적 재밍 공격이 이루어지는 경우의 신호 탐지 확률과 유효 재밍율을 분석하였다. 제안한TBFH-CSS 기법은 첩 신호의 주기와 대역폭을 달리하는 다양한 첩 신호를 사용하여, 단일 첩 신호를 사용하는 기존 FH-CSS 기법에 비해 저피탐/항재밍 성능이 우수한 것을 모의실험 결과를 통해 확인하였다.
첩 신호 세트 ( N , K )의 N, K를 가변하면서 시간 다양성과 주파수 다양성 증가에 따른 저피탐/항재밍 성능향상 정도를 비교하여 추적 재머에 대한 저피탐/항재밍성능 향상을 위하여 시간 다양성을 증가시키는 것이 더욱 효과적임을 보였다.
그림 8, 그림 9를 통해 K를 고정하고 N을 증가시키는 경우가 N을 고정하고 K를 증가시키는 경우에 비해 평균 탐지확률 Pdetect가 낮은 것을 확인할 수 있다. 추적재머의 탐지기는 재밍 대역폭으로 수신되는 신호를 재밍 주기의 일부인 신호 탐지 구간에서 신호를 탐지하고 있어 K 증가에 따른 저피탐 성능 향상에 비해 N 증가에 따른 저피탐 성능 향상이 더욱 크게 나타난다.
추적재밍은 신호 탐지 이후 재밍 공격이 이루어지기 때문에Peff - jam은 Pdetect에 영향을 받게 되어 앞서 살펴본 탐지 확률과 동일하게 N = 8, K = 2로 설정한 경우Peff - jam 성능이 가장 좋게 나타났다.

후속연구

제안한 TBFH-CSS 기법은 단위 시간과 단위 대역폭으로 이루어진 기준 타일의 조합으로 첩 신호를 생성하여 신호 처리 기법 개발 및 구현이 용이한 장점이 있고, 타일을 기반으로 개발한 알고리즘은 다중접속, 자원할당 등 자원관리 분야에 활용이 가능하다. 추후 타일 기반 주파수 도약 첩 확산 기법을 적용한 통신 시스템을 구현하여 추적 재밍 공격 상황에서의 통신 성능을 분석할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재밍(Jamming) 기법이란?	군 통신에서는 아군과 안정적으로 통신할 수 있는 기술 연구와 함께 적군의 통신을 방해하기 위한 기술도 지속적으로 연구되었다. 통신을 방해하기 위한 기술로는 통신이 이루어지고 있는 주파수에 전자 공격(Electronic Attack)을 가해 직접적으로 통신을 방해하는 재밍(Jamming) 기법과 운용중인 통신 방식을 파악하여 통신내용을 도청(Eavesdropping) 하거나 복제 혹은 유사 신호를 송신하여 교란(Spoofing) 시키는 탐지(Intercept)기법이 대표적이다[1-3].
	추적 재밍 공격에 강인한 타일 기반 주파수 도약 첩 대역인 TBFH-CSS기법을 통해 얻을 수 있는 기대효과는 무엇인가?	제안한 TBFH-CSS 기법은 단위 시간과 단위 대역폭으로 이루어진 기준 타일의 조합으로 첩 신호를 생성하여 신호 처리 기법 개발 및 구현이 용이한 장점이 있고, 타일을 기반으로 개발한 알고리즘은 다중접속, 자원할당 등 자원관리 분야에 활용이 가능하다. 추후 타일 기반 주파수 도약 첩 확산 기법을 적용한 통신 시스템을 구현하여 추적 재밍 공격 상황에서의 통신 성능을 분석할 계획이다.
	대역확산 기법에는 어떠한 종류가 있는가?	효과적인 저피탐/항재밍 통신 기법으로 대역확산(Spread Spectrum) 기법이 가장 널리 사용되고 있다. 대역확산 기법에는 직접수열 대역확산(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum),주파수 도약 대역확산(FHSS: Frequency Hopping SpreadSpectrum), 첩 대역확산(CSS: Chirp Spread Spectrum)기법이 있으며 성능향상을 위하여 FHSS 기법과 CSS 기법을 결합한 FH-CSS 기법이 제안되었다[4-5].

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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