Wireless sensor networks (WSNs) are expected to play an essential role in ubiquitous environment, and are used in many applications in home, military and health related areas. Nevertheless, there are some limitations in energy, cost, and communication capabilities. Sensors use wireless communication, which is easy to be eavesdropped and injected malicious messages, so that security needs in WSNs. In this thesis, we propose a system to achieve perfect secrecy and energy efficiency. First, we consider a non-coherent BFSK modulation scheme for energy efficiency of sensors, since non-coherent BFSK has an advantage in receiver complexity and power consumption. Second, sensors decide whether their signals are transmitted according to channel gains between local sensors and a fusion center. The fusion center calculates thresholds according to distribution of channel gain, and then broadcast to sensors. If a sensor has a strong channel gain, it sends a signal to the fusion center. Therefore, we can get energy efficiency. And third, sensors encrypt signals via channel reciprocity for security of WSNs. It confuses the third-party fusion center to make a decision, since sensors encrypt signals according to channel gain and thresholds. We can solve the problem of key distribution and achieve perfect secrecy since we use characteristics of physical layer that is channel reciprocity. We introduce decision rules for the fusion center with channel gains and channel statistics, and evaluate the performance of proposed scheme.
무선 센서 네트워크는 최근 유비쿼터스 환경을 구축하기 위한 핵심 기술로 많은 관심을 끌고 있으며, 가정에서 생활의 편의를 위한 응용이나 특수 응용 분야 등 광대한 범위에서 이용되고 있다. 하지만 제한된 계산 능력과 장기간의 베터리 수명이 유지되어야 하고 저가로 구현되어야 한다는 제약성이 존재한다. 그리고 무선 통신 환경의 특성 때문에 접근성이 용이하고 공격받기 쉬워 네트워크 수명이 짧아지거나 잘못된 가설로 결정을 내릴 수 있으므로 보안 또한 반드시 필요한 요구 사항이다. 따라서 본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서 센서들의 에너지 효율적 활용을 위해 비동기식 BFSK 변조 방식을 이용하고 센서와 융합 센터 사이의 채널 이득의 절대값에 따라 전송 여부를 결정한다. 비동기식 BFSK 변조 방식을 사용하면 수신단이 간단해져 전력을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 채널 이득의 절대값의 분포에 따라 융합 센터가 문턱값을 결정하고, 그 문턱값보다 채널 이득의 절대값이 큰 센서들을 이용함으로써 센서 노드에서는 부가적인 과정없이 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 보안에 취약한 무선 센서 네트워크의 특성을 보완하기 위해 채널의 상반성을 이용하여 암호화하는 방법을 도입한다. 센서와 융합센터는 같은 채널 이득의 절대값을 가지고 있고, 우리는 채널 이득의 절대값을 이용하여 신호를 암호화하여 전송한다. 물리 계층의 특성을 이용하여 암호화하기 때문에 다른 부가 자원 없이 키 분배 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 간단한 처리 방법을 통하여 완벽 보안을 얻을 수 있다. 채널 이득의 절대값을 알고 있는 경우와 채널의 통계 정보만 아는 경우 등의 시스템 환경을 가정하여 각각의 환경에서 최적의 결정 방법을 계산하였고 결정 방법에 따른 융합 센터의 성능을 분석하였다.
