Wireless local area network (WLAN) is a key technology driving development of the Internet of Things (IoT) by enabling smart devices such as small battery-operated sensors and smartphones to connect directly to each other, or to other networks to support ubiquitous networking. In order to provide seamless and high quality service, WLANs can adopt dynamic channel access technologies such as dynamic bandwidth or channel hopping schemes in order to avoid interference for better link quality.
In addition, battery-driven circuit design for power saving WLAN has become more and more important because mobile devices and applications are required to support high throughput in long service coverage and, at the same time, exhibit long battery lifetime. However, in dense networks, the dynamic channel access leads to a higher probability of co-channel interference and adjacent channel interference. The efficiency of IEEE 802.11-based WLANs using multi-channel and wide dynamic ranges is thus severely degraded by interferences in dense networks, and the energy efficiency is severely degraded by such interference. Therefore, in this thesis, interference-aware and secure communications mechanisms for high quality and high energy efficiency are proposed. The proposed interference-aware secure communications method includes the following three key features.
Firstly, WLANs can adopt channel hopping technologies in order to avoid unintentional interferences such as radars or microwaves, which function as proactive jamming signals. Even though channel hopping technologies are effective against proactive types of jamming, it has been reported that reactive jammers could attack the targets through scanning busy channels. However, the reactive jamming is only effective against channel hopping WLAN devices in non-dense networks and that it is not effective in dense networks. Therefore, in this research, a new jamming attack called “persistent jamming” is exposed, which is a modified reactive jamming that is effective in dense networks. The persistent jamming attack can track a device that switches channels using the following two features, and it can attack the specific target or a target group of devices. The first feature is that the proposed attack can use the partial association ID (PAID), which is included for power saving in the IEEE 802.11ac/af/ah frame headers, to track and jam the targets. The second feature is that it is possible to attack persistently based on device fingerprints in IEEE 802.11a/b/g/n legacy devices. The evaluation results demonstrate that the persistent jamming can improve the attack efficiency by approximately 80% in dense networks compared with the reactive jamming scheme, and it can also shut down the communications link of the target nodes using 20 dBm of jamming power and a 125 ms response time. In order to defend the persistent jamming attack, three defense mechanisms for anti-tracking and anti-jamming are proposed; a digital fingerprints predistortion, dynamic ID allocation, and dual channel friendly jamming. The experimental results demonstrate that the proposed defense mechanisms are feasible and effective to significantly decrease the device tracking success ratio of the persistent jamming attack.
Secondly, an interference-aware self-optimizing (IASO) WLAN design is proposed. The proposed IASO incorporates a multi-channel multi-level carrier sense and adaptive initial gain control scheme. This scheme controls carrier sensing thresholds in each band for multi-level sensors, as well as initial gains for amplifiers. The proposed scheme reduces false carrier sensing and avoids saturation of amplifiers while simultaneously improving the dynamic range of the receiver. The prototype evaluation results demonstrate that the IASO can improve the dynamic range of the receiver by approximately 45 dB and 30 dB for a low data rate and a high data rate mode, respectively, compared with the conventional receiver designs. Furthermore, network emulation results demonstrate that the IASO-WLAN can improve the average throughput, latency, and energy efficiency by approximately 32% (24%), 41% (43%), and 13% (17%), respectively, compared with the conventional receiver designs (and channel hopping techniques) in dynamically varying interfered channel conditions.
Thirdly, IEEE 802.11-based WLAN devices adopt power saving mechanisms to reduce power consumption because energy consumption is an important criterion when evaluating portable devices or sensors due to its impact on battery life. In this research, a new battery-draining attack called a Wi-Fi Vampire Attack (WiVa) is exposed, that might be used to evade the power saving features of WLAN devices. The WiVa utilizes a protocol weakness in the 802.11 power saving mechanism. The evaluation results demonstrate that the WiVa can make the target node consume approximately 14 times more than the power consumed by a normal node. In order to prevent from draining power, an energy oriented power saving or security-based power saving mechanism are proposed. And in order to mitigate unintentional interference effect, an interference-aware power saving (IAPS) mechanism is proposed. The IAPS incorporates a signal quality and interference measurement process for determining link quality based on the incoming signal from a receiver. In the IAPS, the signal field decoding process is used to determine the required link quality for the received signal, and a physical layer power saving control based on the estimated link quality and the required link quality is implemented. The proposed IAPS technique achieves 29% and 26% average energy efficiency improvement over the conventional scheme and the channel hopping scheme, respectively.
최근 무선랜 칩셋은 초소형 저전력 컴퓨팅 디바이스의 형태로 사물에 내장되어 물리 공간과 가상 전자 공간을 네트워크로 연결하고 있다. 이러한 무선랜에 의한 네트워킹은 새로운 사물 인터넷 패러다임을 창출하고 인간의 생활을 보다 편리하고 생산적이며 풍요롭게 변화시키고 있다. 무선랜은 스마트폰 뿐만 아니라 센서 통신, 차량 통신, 스마트 그리드 통신, 의료 기기 통신 등, 인간의 생명과 안전에 중요한 통신 수단으로 사용되고 있으며, 사물 인터넷과 유비쿼터스 시대 실현을 위한 필수 요소가 되고 있다. 이러한 다양한 수요를 충족하기 위해 무선랜 칩셋을 탑재한 모바일 스마트 기기들은 광대역 초고속 전송 속도와 긴 배터리 라이프 타임을 요구하고 있지만, 한정된 주파수 자원과 무선 네트워크의 고밀집화로 인해 기기간 간섭이 증가하여 서비스 품질과 전력 소비 효율이 저하되고, 지속적인 재밍과 배터리 소모 공격 등의 의도적인 간섭 신호로 인해 무선 네트워크의 보안이 위협받고 있다. 본 논문에서는 밀집 네트워크에서 무선랜의 주요 성능 저하 요인인 비의도적 간섭과 의도적인 간섭의 영향을 경감시키는 간섭 인지 보안 통신 방법을 제안한다. 간섭 인지 보안 통신은 다음의 네 가지 기술적 특징이 있다. 첫째, 인접 채널 간섭을 검출하고, 간섭 상황에서 신호를 신뢰도 높게 수신하기 위해 수신기의 캐리어 센싱과 이득제어 기능 및 성능을 최적화한다. 이를 위해 다중 채널 다중 레벨 케리어 센서를 사용하여 인접 채널을 검출하고 케리어 센서의 신호 검출 임계치와 초기 이득값을 최적화한다. 둘째, 지속적인 재밍 신호가 통신을 방해하고 있는 경우, 채널 호핑이 효과적이지 않을 수 있는데, 이 경우 디지털 핑거프린트 전치왜곡과 동적 ID 할당 방식을 이용해 밀집 네트워크에서 직속적인 재머가 더 이상 추적할 수 없도록 한다. 비밀집 네트워크에서는 듀얼 채널 프랜들리 재밍 전송 방식을 이용해서 고유 핑거프린트와 ID를 사용한 재밍 신호를 특정 채널에 주기적으로 전송하고, 다른 채널에서 디지털 핑거프린트 전치왜곡과 동적 ID 할당 방식을 이용한 통신을 해서 지속적인 재머가 통신을 방해하지 않도록 한다. 셋째, 밀집 네트워크에서는 간섭에 의해 재전송이 빈번하게 발생할 수 있는데, 이러한 간섭 상황을 프리엠블과 시그널 필드로 검출한 후, 수신한 프레임을 성공적으로 복원할 수 있는 경우에만 신호 처리를 하고, 복원이 실패할 확률이 큰 경우에는 파워 세이빙하여 전력 효율을 향상시킨다. 넷째, 주기적인 재밍 신호에 의해 보안 프로토콜과 파워 세이빙 모드를 사용하는 무선랜 단말의 파워를 급격하게 소모시킬 수 있는데, 이것은 기존의 무선랜 칩셋들이 성능 위주의 파워 세이빙 방식으로 구현되어 파워 세이빙 후 비콘을 수신하기 위해 주기적으로 깨어나는 구간에서 수신한 특정 조건의 프레임에 지속적으로 반응하는 구현 버그 때문이다. 이를 해결하기 위해 파워 세이빙 단말이 활성화 상태를 연장하려면 기존의 보안키를 확인한 후 가능하게 하는 안전한 파워 세이빙 방식을 제안한다. 본 논문에서 제안한 간섭 인지 보안 통신 방식은 다음의 두 가지 방식으로 성능 평가를 수행한다. 첫째, 무선랜 프로토타입 시스템을 개발하여 기존 방식의 한계와 문제점을 분석하고, 제안한 방식의 효율성을 입증한다. 둘째, 실제 하드웨어와 동일한 시스템 소프트웨어를 이용해 네트워크 에뮬레이터를 구현하고, 밀집 네트워크에서 기존 방식 대비 제안한 방식의 우수성을 입증한다. 실험 결과에 따르면, 본 연구에서 제안한 간섭 인지 보안 통신 방식은 기존의 무선랜 설계 대비 밀집 네트워크에서 스루풋, 지연, 에너지 효율을 각각 32%, 41%, 13% 향상시킬 수 있고, 동작 영역은 최소 데이터 속도에서 45 dB 향상되었고, 최대 데이터 속도에서 30 dB 향상 가능했다. 그리고, 지속적인 재밍 공격에 대한 디지털 핑거프린트 전치왜곡과 동적 ID 할당 방식을 사용하면 지속적인 재머가 밀집 네트워크에서 해당 장치를 추적하는 확률이 80% 이상 감소했다. 비밀집 네트워크에서는 듀얼 채널 프랜들리 재밍 기술을 이용하면 지속적인 재머에 의한 성능 열화를 경감시킬 수 있었다. 또한, 간섭 인지 보안 통신 방법은 배터리 소모 공격 및 밀집 네트워크에서 수신한 프레임의 요구 링크 품질과 현재의 링크 품질을 비교하여 수신 프레임의 신호 처리 여부를 결정하여 간섭 상황에도 29%의 에너지 효율을 높일 수 있음을 보였다. 무선랜 기술은 고속의 전송 속도를 보장하고, 이전 표준과의 호환성과 이종 무선 통신 표준과의 상호 공존성을 지원하며, 비면허 대역을 사용하여 사용자의 통신 비용이 매우 저렴하여 모바일 기기와 가전 제품 및 웨어러블 스마트 장치에 무선랜 칩셋을 보편적으로 사용하고 있으며 앞으로 그 활용 범위가 급속히 확대될 전망이다. 이로서 무선랜으로 사용자 주변의 모든 사물이 모바일 인터넷 인터페이스를 통해 언제, 어디서나, 어느 것에나 연결될 수 있는 초연결 네트워크 생태계가 구축되고 있다. 그러나, 더 많은 무선랜 장치가 더 넓은 대역폭과 전파 범위를 사용함에 따라, 제한된 주파수 자원과 밀집 네트워크 조건에서 고성능의 저전력 통신을 하면서 높은 수준의 보안을 보장하는 것은 칩셋 제조사, 시스템 개발자와 연구자들에게 매우 도전적인 과제가 되고 있다. 특히, 무선랜 칩셋이 의료 보조 장치, 스마트 그리드, 차량 센서 등, 인간의 생명과 안전을 위한 보조 장치에 사용되는 경우에 의도적인 간섭 신호로 네트워크를 마비시키거나 전자 장치를 셧다운시킬 수 있어서 심각한 문제를 초래할 수 있다. 이와 같은 비의도적인 간섭과 의도적인 간섭에 의한 무선 네트워크의 성능 및 전력 효율 열화 문제와 보안 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 간섭 인지 보안 통신 방법을 제안했다. 제안한 방법을 이용하면, 밀집 네트워크에서 비의도적 간섭과 의도적인 간섭에도 고성능의 저전력 통신이 가능하고, 높은 수준의 보안을 보장할 수 있다. 본 연구가 차세대 무선랜 전송 방법 연구 및 칩셋 개발을 위한 초석으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
