Wireless communication is especially vulnerable to eavesdropping due to the broadcast nature of wireless medium. The study on the physical layer security aims at developing the secure transmission schemes by exploiting physical layer resources and techniques. Unlike the classical approaches based on the cryptographical solution, it has a merit to provide the unconditionally perfect secrecy which is measured by information-theoretical metrics.
In this dissertation, focusing on analyzing the role of the multiuser diversity in the physical layer security, we examine physical layer security issues by exploring two directions, characterizing the secrecy capacity (or rates) and proposing the practical secure transmission scheme. First, theoretical limits of the secrecy capacity is analyzed under the correlated fading wiretap channel models. We extend this results to the multiuser case and develop the secure communication protocol for broadcast block fading channels. Contrary to the ordinalry communicaion results, we obtain the opposing results in our model that the multiuser diversity negatively affect the secre transmission in a way to reduce the achievable secrecy rate.
Second, the practical secure transmission scheme is illustrated by studying the eavesdropping issue in over-deployed wireless sensor networks. Since the channel coding scheme achieving the secrecy capacity has a problem in implementation issue, the perfect secrecy in the wiretap channel model is beyond the scope of current technologies. Thus, we propose a novel secure cooperative transmission scheme achieving the information-theoretically perfect secrecy without channel coding techniques in this part. The proposed scheme utilize the random behavior of wireless channels in the form of the multiuser diversity in a way that only the sensors of strong and weak channel gains report their decisions in a predetermined way based on type-based multiple access protocol. We show that carefully design different roles of sensors of strong and weak channel gains to the ally FC can confuse the enemy FC in making a decision. Eventually, it guarantees the perfect secrecy promised by an information theoretic measure. We substantiate our claims with the analytic results and numerical evaluations.
무선 통신은 전송 매체의 개방성으로 인해 도·감청의 보안 위협에 매우 취약하다. 물리계층 기반 보안 시스템은 물리영역의 자원 및 송·수신 기술을 이용하여 이러한 보안의 위협으로 부터 데이터를 적절히 보호하는 연구 분야를 말한다. 기존의 암호학 기반 보안 체계가 도·감청자의 연산능력의 한계를 이용하여 보안 시스템을 구성하는 것과 달리, 물리계층 기반 보안 시스템은 정보이론 (Information theory)에서 제공하는 정보 누설량(Equivocation)을 기준으로 보안 시스템을 구성한다. 따라서 도$\cdot$감청자의 연산 능력에 영향을 받지 않기 때문에 양자 컴퓨터 개발과 같이 도·감청자의 연산 능력의 발전으로 인한 보안 위협으로 부터 자유롭다는 장점을 가지고 있다.
본 학위 논문에서는 다중 사용자 이득(Multiuser diveristy)이 물리 계층 보안 시스템에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 기존의 무선 통신 시스템에서는 송신자가 스케쥴링을 통해 채널 이득이 가장 높은 수신자에게 자원을 할당하여 채널 용량을 증대시키는 방법으로 다중 사용자 이득을 활용하였다. 외부의 위협으로 부터 무선 통신 기술을 이용하여 데이터를 보호애햐 하는 물리계층 기반 보안 시스템에서는 다중 사용자 이득이 어떻게 활용될 수 있는지를 알아 보기 위해 본 논문은 다음의 두가지 방향으로 연구를 진행하였다.
첫째, 물리계층 기반 보안 시스템 연구에서 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 보안채널 (Wiretap channel) 연구 분야에서 다중 사용자 이득에 관한 연구를 진행 하였다. 적법한 송·수신자의 통신 채널과 도청채널간에 상관성이 존재하는 보안채널 모델과 송신자와 다수의 사용자를 고려한 보안 채널 모델을 고려하였으며, 각 모델에서의 보안 용량(Secrecy capacity)을 계산하였다. 상관 보안채널의 경우, 신호 대 잡음비(SNR)의 증가에 따른 보안용량의 극한 값을 상관계수의 함수로 유도하였으며, 다중 사용자 보안 채널의 모델에서는 outage 확률, 평균 보안 채널 용량, 평균 대기시간 등을 정량적으로 계산할 수 있는 수식을 유도하였다.
둘째, 무선 센서 네트워크 환경에 적용가능한 보안 전송 기술을 연구하였다. 앞서 언급한 보안 채널에 관한 연구는 보안 용량을 획득하기 위해 Wyner 채널 부호를 이용한다. 이런 접근 방식은 채널 부호가 완벽보안(Perfect screcy)을 제공한다는 사실을 이론적으로 증명하는 것은 가능하지만 아직까지 구현이 불가능 하기 때문에 실제 물리계층 보안 기술로 활용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 채널 부호 대신 센서들의 협력 전송을 통해 완벽보안을 달성할 수 있는 전송 방식 및 프로토콜을 제한하였다. 제안하는 기술은 센서들의 전송기회를 적절히 조절하고, 일부센서들에게는 거짓 정보를 전송하게 함으로써 센서들이 기지국에 전송하는 검출 정보를 도$\cdot$감청자로 부터 은폐하는 기술이다. 단순히 센서들의 전송 여부를 결정하는 제어 메시지를 기지국이 브로드캐스트함으로써 완벽보안을 유지할 수 있기 때문에 구현이 쉽고 무선 네트워크의 다양한 분야 (군통신, Wide area ubiquitous network 등)에 바로 응용 가능할 것으로 기대된다.
