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한국통신학회논문지

Wireless-Powered Power Splitting-Based Secure Relay for Maximizing Secrecy Rate

Kyungseop Shin

Published Jun 22, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

본 논문에서는 비신뢰적 노드의 에너지 하베스팅 요구량을 보장해주면서 동시에 잠재적 도청을 막기 위한 전력 분할 기반 보안 릴레이를 제안하였다. 보안 전송률 최대화를 위한 최적의 전력 분할 비율을 찾는 최적화 문제를 수식화하고, 시뮬레이션을 통해 최적의 전력 분할 비율을 찾았다. 전력 분할 기반 보안 릴레이에서는 수신한 신호의 0.9 이상의 비율을 에너지 하베스팅 하는 것이 보안 성능을 향상시킴을 보였다.

DOI
10.7840/kics.2023.48.6.681

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한국통신학회논문지•Nov 29, 2021•0 citations
본 논문에서는 비신뢰적 노드의 에너지 하베스팅 요구량을 보장해주면서 동시에 잠재적 도청을 막기 위한 전력 분할 기반 보안 릴레이를 제안하였다. 보안 전송률 최대화를 위한 최적의 전력 분할 비율을 찾는 최적화 문제를 수식화하고, 시뮬레이션을 통해 최적의 전력 분할 비율을 찾았다. 전력 분할 기반 보안 릴레이에서는 수신한 신호의 0.9 이상의 비율을 에너지 하베스팅 하는 것이 보안 성능을 향상시킴을 보였다.
본 논문에서는 사물인터넷 환경에서 센서의 전원 부족과 정보 보안 문제를 동시에 해결하기 위해 보안 릴레이 프로토콜을 제안한다. 무선 충전이 가능한 릴레이는 파워 분할 혹은 시간 전환 기법을 이용하여 수신한 RF 신호로부터 에너지를 하베스팅하고, 이 전력을 이용하여 수신한 신호를 목적지에 전달한다. 또한, 도청자가 발신원으로부터 전송되는 데이터를 해석하는 것을 막기 위해 목적지는 발신원이 데이터를 전송하는 동안 방해 전파를 전송한다. 정해진 기준 값 이상의 보안 전송 요구를 보장하기 위한 보안 아웃티지 확률을 수식적으로 도출하고, 이를 최소화 할 수 있는 파워 분할 및 시간 전환 비율을 찾는다. 다양한 환경에서 시뮬레이션을 통해 제안 방안이 기존 방안에 비해 보안 아웃티지 확률을 개선함을 보인다.
무선 RF 신호로부터 전력을 수집하는 RF 에너지 하베스팅은 향후 센서의 무전원화를 가능하게 하는 기술로써 최근 큰 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 무전원 릴레이가 존재하는 2-hop 네트워크에서 물리계층 보안을 최대화하기 위한 시간 전환 기반 relaying 기법을 제안한다. 다양한 시뮬레이션 환경에서 기존 방안과의 비교를 통해, 제안 방안이 도청자의 도청을 막아 최적의 보안 용량을 달성함을 보인다.
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본 논문에서는 무선 다중홉 복호 후 전달 릴레이 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 전력 할당 문제를 고려한다. 먼저, 하나의 송수신 쌍이 여러 도청자가 존재하는 상황에서 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 보안 전송을 수행하는 시나리오에 대한 전력 할당 문제를 유도한다. 그리고, 보안 전송율을 최대로 하는 최적의 전력 할당은 선형 계획법에 의해 얻을 수 있음을 보인다. 다음으로, 하나의 송신기가 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 다수의 수신기에 공통의 보안 정보를 송신하는 멀티캐스팅 시나리오에서 하나의 도청자가 존재할 때의 전력 할당 문제를 고려한다. 이와 같은 보안 멀티캐스팅 시나리오에서의 최적의 전력 할당 문제 또한 선형 계획법에 의해 해결될 수 있음을 보인다. 모의 실험을 통해 제안한 최적의 전력 할당이 다중 도청자 및 멀티캐스팅 시나리오에서 달성하는 보안 전송율을 검증한다.
본 연구에서는 무선 네트워크를 위하여 키 분배 관리 기반구조에 의존하지 않으며 완전 자율적이고 분산 구조의 초경량 보안 키 분배 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 밥과 엘리스라 불리는 두 명의 적법한 사용자(legitimate users)들이 시분할 이중통신 (TDD, Time Division Duplex)방식으로 통신을 수행한다고 가정하며 채널의 쌍대성(reciprocity)에 의하여 상관성 (correlation)이 큰 무선 채널 이득을 가지는 것으로 가정하였다. 이러한 무선채널 이득을 두 적법한 사용자가 각자 독립적으로 양자화하여 얻은 무작위 비트 배열의 쌍을 생성하고 이를 보안 키로 사용하는 방식을 제안한다. 특히, 본 논문에서는 이러한 키 분배 프로토콜을 위한 적응형 양자화 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 채널의 변화에 따라 양자화 임계값을 조정함으로써 앨리스와 밥에 의해 생성된 비트 배열 사이의 불일치 확률을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 BCH 부호와 같은 실용적인 저 복잡도 부호를 사용하여 비트 배열의 쌍 간의 불일치를 정정하고 앨리스와 밥이 공유하게 될 보안키를 생성한다. 비밀 키 추출효율을 최대화하기 위해 양자화 단계와 BCH 부호의 부호율을 최적화시켰으며, 제안된 보안키 추출 시스템을 802.11a 기반의 무선 네트워크 카드를 이용하여 구현하였다. 하드웨어 기반의 실험을 통해 실내 환경에서 초 당 1비트 이상의 보안 키를 획득하는 것이 가능함을 실험적으로 보였다. In this paper, we present a secret key distribution protocol without resorting to a key management infrastructure targeting at providing a low-complexity distributed solution to wireless network. The proposed scheme extracts a secret key from the random fluctuation of wireless channels. By exploiting time division duplexing transmission, two legitimate users, Alice and Bob can have highly correlated channel gains due to channel reciprocity, and a pair of random bit sequences can be generated by quantizing the channel gains. We propose a novel adaptive quantization scheme that adjusts quantization thresholds according to channel variations and reduces the mismatch probability between generated bit sequences by Alice and Bob. BCH codes, as a low-complexity and pratical approach, are also employed to correct the mismatches between the pair of bit sequences and produce a secret key shared by Alice and Bob. To maximize the secret key extraction rate, the parameters, quantization levels and code rates of BCH codes are jointly optimized.
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