KR100776936B1 - 무선 통신용 워터마크 또는 서명 - Google Patents

무선 통신용 워터마크 또는 서명 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 사용자 데이터 스트림이 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리 및 무선 주파수 처리를 받는다. 워터마크 또는 서명이 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층 및 무선 주파수 중 적어도 하나에 내장되어, 내장형 무선 통신(embedded wireless communication)을 발생시킨다. 이 내장형 무선 통신은 무선으로 송신된다. 내장형 무선 통신이 수신된 후 이 내장형 무선 통신으로부터 워터마크 또는 서명이 추출된다.

Description

무선 통신용 워터마크 또는 서명{WATERMARKS/SIGNATURES FOR WIRELESS COMMUNICATIONS}
본 발명은 일반적으로 무선 통신에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 무선 통신용 워터마크 또는 서명에 관한 것이다.
무선 시스템은 많은 점에서 주변에 대한 영향을 받기 쉽다. 이러한 감수성(susceptibility)은 신규 무선 기술이 증가함에 따라서 커진다. 개개의 사용자가 중간의 네트워크 노드를 이용하지 않고 직접 통신하는 ad-hoc 네트워크는 사용자와 네트워크 간에 새로운 감수성을 발생시킨다. 이들 감수성은 "신뢰성", "권한", "아이덴티티" 및 "프라이버시" 및 "보안성" 관련 항목으로 범주화할 수 있다.
"신뢰성"은 이들 시스템에서 통신되는 정보가 공유될 수 있다는 보증을 의미한다. 예를 들어, 무선 사용자들은 신뢰성있는 소스로부터 그리고 신뢰성있는 통신 노드를 이용하여 통신을 송신받고 있음에 대하여 인식하기를 원할 수 있다. 그러나, ad-hoc 네트워크에서의 사용자는 패킷 스니핑 소프트웨어(packet sniffing software)를 이용하는 해커의 무선 디바이스를 통하여 전송될 수도 있다는 것을 인식할 수 없다. 또한, 터널링의 사용에서는, 통신을 전송하는 중간 노드가 무선 사용자에 대하여 투명성을 가질 수도 있다.
"권한(권한 관리)"은 데이터의 제어를 의미한다. 예를 들어, 한 무선 사용자가 무선 시스템에서 제한된 권한를 가질 수도 있다. 그러나, 사용자가 (선의의 경우이든 또는 악의의 경우이든) 보다 우수한 권한를 가진 제2 노드와 공모할 경우, 사용자는 그 사용자에게 허용되는 권한 이상의 권한을 얻을 수 있다.
"아이덴티티"는 무선 사용자의 아이덴티티에 연결되어 있는 제어를 의미한다. 예를 들어, 악의의 무선 디바이스가 네트워크의 인증된 사용자로 위장하여 그 인증된 사용자의 아이덴티티를 이용하여 무선 네트워크에 대한 액세스를 시도할 수도 있다. "프라이버시"는 개인의 데이터 및 콘텍스트의 프라이버시를 유지하는 것을 의미한다. 무선 사용자는 자신이 방문한 웹사이트 특히, 금융 정보나 의료 정보 등의 이들 사이트에 송신되는 정보를 다른 사람들이 아는 것을 원하지 않을 수 있다. "보안성"은 무선 사용자의 정보에 대한 인증되지 않은 개개의 액세스를 방지하는 것과 같이 데이터와 콘텍스트에 대한 보안을 의미한다.
무선 네트워크의 감수성을 감소시키기 위하여, WEP(wired equivalent privacy), WPA(Wi-Fi Protected Access), EAP(Extensible authentication Protocol), IEEE 802. 11i 및 GSM 기반 암호화와 같은 기술이 이용되고 있다. 그러나, 이들 기술이 어떤 보호 대책을 제공함에도 불구하고 이들 기술은 여전히 "신뢰성", "권한", "아이덴티티" 및 "프라이버시" 및 "보안성"에 대하여 문제점을 갖는다. 예를 들어, 특정 무선 통신 노드는 무선 통신 사용자와 통신하는데 올바른 WEP 키를 가질 수 있으나, 사용자는 자신이 그 노드를 "신뢰"할 수 있는지의 여부를 인지할 수 없다.
또한, 통상적으로, 이들 키를 이용하는 사용자의 인증은 통신 스택의 상위 계층에서 발생한다. 따라서, 이들 제어가 적절한 경우에도, 악의의 무선 사용자또는 해커가 (비록 제한되기는 하지만) 그 통신 스택에 대한 어떤 액세스를 가질 수 있다. 이러한 액세스는 특히 서비스 거부 공격과 같은 취약점을 발생시킨다.
워터마크 또는 서명은 시그널링 및 보안을 위하여 매체로 고유 정보 또는 메타 데이터를 추가하는 기술이다. 무선 통신에 대한 감수성을 감소시키기 위해서는, 무선 통신에 대한 워터마크 또는 서명 기술을 추가하는 대안의 접근방식을 갖는 것이 바람직하다.
하나 이상의 사용자 데이터 스트림이 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리 및 무선 주파수 처리를 받는다. 워터마크 또는 서명이 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층 및 무선 주파수 중 적어도 하나에 내장되어, 내장형 무선 통신(embedded wireless communication)을 발생시킨다. 이 내장형 무선 통신은 무선으로 송신된다. 내장형 무선 통신이 수신된 후 이 내장형 무선 통신으로부터 워터마크 또는 서명이 추출된다.
도 1은 통상의 디지털 통신 송신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 워터마킹된 디지털 통신 송신 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 워터마킹 무선 통신의 간략한 블록도이다.
도 4는 워터마킹 무선 통신의 간략한 플로우도이다.
도 5는 지연 송신 다이버시티 워터마킹을 이용하는 송신 TRU의 간략한 블록 도이다.
도 6은 지연 송신 다이버시티 워터마킹을 수신하는데 이용되는 수신 TRU의 간략한 블록도이다.
이하, 무선 송수신 유닛(WTRU)은 사용자 장치, 이동국, 고정 가입자 유닛 또는 이동 가입자 유닛, 페이저, 스테이션(STA) 또는 무선 환경에서 동작할 수 있는 그 외 다른 유형의 디바이스들을 포함하고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 이하, 용어 "기지국"은 노드-B, 사이트 제어기, 액세스 포인트 또는 무선 환경에서의 그 외 다른 유형의 인터페이스 장치를 포함하고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 이하, 송수신 유닛(TRU)은 WTRU, 기지국 또는 유선 통신 다바이스를 포함한다.
도 1을 참조하여 보면, 통상의 디지털 통신 시스템에서는, 소스 데이터는 2진 데이터와 같은 dsource이다. 이 데이터는 디지털식으로 처리된 음성, 또는 이미지 또는 비디오 신호 또는 2진 텍스트 또는 그 외 디지털 데이터를 표현할 수 있다. 이 데이터는 때때로 (소스 코딩이라는 처리를 통하여) 압축되어(76), 압축된 2진 데이터 스트림(dcompressed)을 생성한다. 압축된 데이터는 상위 OSI(open systems interconnection) 계층(예를 들어, HTTP, TCP, IP 계층 등)에 의해 처리(78)되어 2진 데이터(dHL)를 생성한다. 이후, 이렇게 생성된 데이터는 무선 인터페이스에 속하는 OSI 계층에 의해 처리, 즉, 계층 3 처리(80), 계층 2 처리(82), 계층 1 처리(84) 및 RF 계층 처리(86)를 받는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이들은 각각 d3, d2, s1 및 so으로 표기되어 있다. d3 및 d2는 2진 데이터인 한편, s1 및 so는 아날로그 신호이다. 수신기 측에서는, 역순으로(RF, 계층 1, 계층 2, 계층 3, 보다 상위 계층들 순으로 처리된 다음 압축 해제됨) 행해지지만 그 처리는 동일하게 수행된다.
(청구범위를 제외한) 이하 설명에서는, '데이터' 및 '신호'는 '2진 데이터' 및 '아날로그 신호'를 각각 의미한다.
도 2는 워터마크 또는 서명을 전달된 (2진) 데이터 및 /또는 (아날로그) 신호에 내장시키도록 변형된 디지털 통신 링크 처리 체인을 나타낸다. 식 1과 같이, 워터마킹은 2진 워터마크 데이터(w), 커버 데이터 또는 신호(d 또는 s), 내장형 방식 또는 알고리즘(E)을 포함하는 워터마크, 및 워터마킹된 데이터 또는 신호(dw 또는 sw)를 포함한다.
sw=E{s, w} 또는 dw = E{d, w} 식 1
2진 워터마크 데이터는 아날로그 워터마크 신호를 디지털화하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 지문이나 손금 서명은 아날로그 신호이지만 이들은 디지털화되어 2진 워터마크 데이터를 생성할 수 있다.
내장형 방식이 주요 소스 데이터와 함께 워터마크가 전송되도록 할 수 있기 때문에, 이러한 내장형 방식은 또한 내장형 채널을 소스 데이터 자체로 (대개 암시적으로) 정의하는 것이라고 볼 수 있다. 이와 같이, 내장형 방식은 '워터마킹 채널' 또는 '내장형 무선 채널'을 정의하는 것이라고 볼 수 있다. 이들 채널이 계층 1 또는 RF 계층에서 정의되는 경우, 대응하는 내장형 무선 채널은 또한 "내장형 물리 채널"이라 할 수 있다.
워터마크 또는 서명은 압축(86) 이전 또는 이후에 콘텐츠(85, 86(ws))에 내장되거나; 상위 계층 처리(88)(wHL) 동안에 내장되거나; 계층 3(89)(w3), 계층 2(90) (w2), 계층 1(91)(wl) 및 계층 0 (RF)(92)(w0)에 내장될 수 있다.
이하 설명에서는 워터마크에 대하여 설명하고 있지만, 워터마크 대신에 서명을 무선 통신에 대한 동일한 콘텍스트에 이용할 수도 있다. 도 3은 워터마킹 무선 통신의 간략한 도면으로서, 워터마킹 무선 통신의 플로우도를 나타내는 도 4와 결합하여 설명된다. 송신(TX) TRU (20)는 무선 통신에 대한 사용자 데이터 스트림(들)을 수신(RX) TRU(22)으로 수신한다. 사용자 데이터 스트림은 계층 2 또는 계층 3 (데이터 링크 또는 네트워크) 처리를 수행하는 TX 계층 2 또는 계층 3 처리 디바이스(24)를 이용하여 처리된다. 계층 2 또는 계층 3 처리가 TX(24)와 RX(42) 양자에 대한 TRU에서 발생하는 것으로 설명하고 있지만, 다른 중간 네트워크 노드에서도 발생할 수 있다. 예를 들어, 유니버셜 모바일 지상 시스템(UMTS) 통신 시스템에서는, 계층 2 또는 계층 3 처리가 무선 네트워크 제어기나 노드-B 내에서 발생할 수 있다.
계층 2 또는 계층 3 처리된 데이터는 TX 물리 계층 처리 디바이스(26)에 의해 물리 계층 처리된다. 이 물리 계층 처리된 데이터는 무선 송신을 위하여 TX 무선 주파수(RF) 처리 디바이스(28)에 의해 처리된다.
TX TRU(20)(즉, 다른 네트워크 노드)는 워터마크를 생성하기 위하여 토큰 또는 키를 수신한다(단계 46). 토큰 또는 키는 워터마크 내장 디바이스(30)에 의해 처리되는데, 이 워터마크 내장 디바이스(30)는 계층 2 또는 계층 3, 물리 또는 RF 계층들 중 하나에서 또는 이들 다수의 계층에 걸쳐 토큰 또는 키를 워터마크로서 내장시킨다(단계 48). 또한, 워터마크 내장 디바이스(30)는 이 토큰 또는 키가 로버스트(robust)되거나 또는 사용자의 처리된 데이터 스트림(들)에 보다 잘 적합하게 되도록 하기 위하여 토큰 또는 키를 내장시키기 전에 토큰 또는 키의 인코딩 및/또는 수정(modifying)을 수행할 수도 있다.
워터마크 내장형 RF 통신은 안테나 또는 안테나 어레이(32)에 의해 방사될 수 있다(단계 50). 이 내장형 통신은 수신(RX) TRU(22)의 안테나 또는 안테나 어레이(34)에 의해 무선 인터페이스(36)를 통하여 수신된다(단계 52). 이 수신된 통신은 RX 무선 주파수 처리 디바이스(38)에 의해 RF 처리된다. RF 처리된 통신은 RX 물리 계층 처리 디바이스(40)에 의해 물리 계층 처리된다. 물리 계층 처리된 데이터는 RX 계층 2 또는 계층 3 처리 디바이스(42)에 의해 계층 2 또는 계층 3 처리되어 사용자 데이터 스트림(들)을 생성한다. 무선 주파수, 물리 계층 또는 계층 2 또는 계층 3 처리 들 중 한 처리 동안 또는 다수의 처리에 걸쳐, 내장된 워터마크가 워터마크 추출 디바이스(44)에 의해 추출되어(단계 54), 인증용 및 그 외 신뢰성, 권한, 아이덴티티, 프라이버시 또는 보안 목적 등으로 토큰 또는 키를 생성한다.
개방 시스템 상호접속(OSI) 모델의 하위 계층에서 워터마크를 사용하는 것은 다음과 같은 가능한 이점을 제공한다. 무선 통신의 인증은 하위 OSI 계층에서 발생할 수 있으며 이들 하위 계층들에서 원하지 않는 통신이 식별될 수 있다. 그 결과, 이들 원하지 않는 통신은 폐기되거나 상위 추상화 계층에 의해 처리되는 것으로부터 차단되어 불필요한 상위 계층 처리나 자원이 소모되는 경우를 제거한다. 또한, 이들 원하지 않는 통신이 상위 계층으로 통과되지 않을 수 있기 때문에, 서비스 거부 공격과 같은 무선 시스템에 대한 어떤 공격이 방지될 수 있다.
하위 계층 인증은 또한 무선 통신에 대한 추가 보안을 제공한다. 하위 계층 인증은 특정 무선 링크를 인증한다. 그 결과, 부적절한 링크를 이용하는 인증되지 않은 개개인을 식별할 수 있기 때문에, 부적절한 링크를 이용하는 인증되지 않은 개개인이 상위 추상화 계층에서 실행하는 것이 보다 어려워지고 때로는 불가능해진다. 예를 들어, 인증된 사용자는 사용자명과 패스워드를 제2 사용자에게 제공하여 인증되지 않은 사용자가 보안 무선 네트워크에 액세스할 수 있게끔 할 수도 있다. 그러나, 인증되지 않은 사용자가 요구되는 무선 워터마크를 인식할 수 없거나 이러한 워터마크를 생성하는 하드웨어 또는 소프트웨어를 갖고 있지 않을 경우, 그 인증되지 않은 사용자가 적법한 사용자명과 패스워드를 사용하더라도 그 사용자는 그 보안 무선 네트워크에 대한 액세스를 허용받지 못한다.
내장형 물리 채널
워터마크 무선 통신을 생성함에 있어 2가지 주요 기술이 이용되는데 첫째는 물리 채널(들)에 내장되어 신규로 정의되는 워터마킹 채널을 이용하는 것이고 둘째는 기존의 무선 채널(들) 내에 직접 워터마크를 기입하는 것이다. 첫번째 기술에서는, 신규 채널을 형성하여 워터마크를 이송한다. 이들 워터마킹 채널은 무선 채널에 내장되어진다. 예를 들어, 이러한 채널을 생성하는 한 기술로서, 무선 채널(들)을 매우 느리고 차동적으로 진폭 변조하여 기존의 채널(들)과 공존하는 신규 워터 마킹 채널을 생성하는 것이다. 워터마크는 이들 채널에 의해 이송된다. 이러한 기술은 다음과 같이 모델링될 수 있다. 기존 무선 채널(들)은 커버 신호(s)로서 볼 수 있다. 워터마크는 w이며, 내장 함수는 E이고 내장 채널은 EPCH이다. 이 EPCH 생성 기술은 순차적으로 기술된다. 워터마크 신호(sw)는 식 2와 같다.
sw = EEPCH{s, w} 식 2
보다 보안성을 강화하기 위하여, 부적절한 TRU가 어떠한 방식으로 그 내장 채널을 알게 될 경우, 내장 채널들이 암호화되어 부적절한 TRU가 워터마크를 복사하는 것을 방지할 수 있다. 이들 내장 채널을 이용하여 상위 OSI 계층으로부터 보안 관련 데이터를 이송할 수 있다. 예를 들어, 상위 계층으로부터의 암호 및 그 외 키들은 내장 채널에 의해 이송된다. 이들 채널에 의해 이송된 그 외 데이터는 "챌린지 워드(challenge words)"를 포함할 수 있으며, 그 결과 TRU가 다른 TRU 또는 네트워크에 의한 도전을 받을 경우 스스로 인증을 수행할 수 있다.
내장 채널은 불연속적이고 단기간의 내장 채널이 이용되는 경우에도 장기간의 연속적으로 바람직하게 발생한다. 일부 구현에서, 기초적인 무선 채널(들)을 통하여 데이터를 송신하지 않고도 워터마킹 채널이 자체적으로 동작할 수 있다. 그 결과, 기초적인 채널(들)이 데이터를 송신할 필요가 없는 경우에도 유지될 필요가 있을 수 있다. 무선 채널은 워터마킹 채널에 대한 커버 작업으로 볼 수 있다. 바람직하게는, 커버 작업 무선 채널을 통하여 송신된 데이터는 채널을 통하여 송신되는 데이터인 것인 통상적이다. 제로의 장기간 실행과 같이, 채널 상의 비특성 데이터 의 존재는 그 채널에 대한 외부 침입자의 주의를 끌 수 있다. 이러한 데이터는 채널을 통하여 실제로 송신되는 데이터를 바람직하게 모방하는데, 이에 의해 커버 데이터가 송신중에 있을 때를 외부 침입자가 확인하는 것을 어렵게 할 수 있다. 다른 방법으로, 랜덤 비트 패턴을 커버 채널에 대하여 이용할 수도 있다. 암호화되거나 스크램블링된 채널들에서는, 랜덤 비트 패턴이 어떤 구현에 대하여 적합한 보안성을 제공할 수 있다.
군사적인 적용시, 송신되는 커버 데이터는 속임수 정보(오정보)일 수도 있다. 적의 유닛이 커버 작업을 전송하고 있는 통신 노드에 접하는 경우, 속임수 데이터 또는 커버 데이터의 디코딩을 시도하는 것에 대하여 노드를 손대지 못하는 상태로 둘 수 있다. 일 실시형태에서, 적절한 품질의 커버 데이터를 생성하는 수동 동작이 에러를 일으키기 쉽고 실시가 어려울 수 있기 때문에 이러한 커버 데이터를 자동으로 발생시키는 것이 바람직하다.
다중 워터마킹 채널들을 이용하여 합성 워커마크 채널의 전체적인 대역폭을 증가시킬 수 있다. 다중 워터마킹 채널을 이용하면, 하나의 워터마킹 채널의 용량 보다 큰 대역폭을 가진 워터마크 정보를 송신할 수 있게 된다. 보안을 보다 강화하기 위하여, 다중 워터마킹 채널을 이용할 경우, 워터마크 데이터는 소정의 패턴으로 채널을 호핑(hop)한다. 그 결과, 한 채널을 감시하는 외부 침입자가 워터마크 데이터의 일부분만을 액세스할 수 있다.
내장형 무선 채널을 이용하여 상위 계층에 대하여 투명성을 갖는 방식으로 보안 동작을 수행하도록 할 수 있다. 그 결과, 상위 계층 소프트웨어 및 애플리케 이션에 대한 변형 없이 그리고 이들 계층의 동작 부하에 대한 변화 없이 추가 보안성을 얻을 수 있다.
워터마크 물리 채널
두번째 기술에서는, 워터마크가 무선 채널 내에 내장(기입)된다. 예를 들어, 무선 채널에서의 동기 비트나 사용하지 않는 비트를 변경하여 무선 채널의 워터마크를 효과적으로 이송할 수 있다. 이러한 기술은 다음과 같이 모델링될 수 있다. 기존의 무선 채널(들)은 커버 신호(s)로 볼 수 있다. 워터마크는 w이며, 내장 함수는 E이고 비밀 키는 k이다. 비밀 키(k)는 후술될 특정 무선 채널 내장 기술로서 볼 수 있다. 워터마크 신호(sw)는 식 3과 같다.
sw =Ek{s, w} 식 3
워터마크 신호(sw)는 필터링, 압축 또는 그 외 통상의 무선 네트워크 기능과 같은 공통의 신호 처리 동작에 대하여 바람직하게 로버스트하다. 또한, 워터마크 신호(sw)는 인식불가능한 것이 바람직하다. 워터마크의 사용은 인식가능한 방식으로 무선 시스템의 동작에 충격을 주지 않는다. 예를 들어, 워터마크를 인식하지 못하는 무선 시스템의 구성요소들은 하드웨어 또는 소프트웨어 변형 없이도 무선 통신을 처리할 수 있다. 또한, 워터마크 기술이 공개적으로 알려진 경우, 보안 키의 형태가 교환을 보장하는 데 이용되는 것이 바람직하다.
두가지 기술은 침입자의 검출 동작과 함께 이용될 수 있다. 침입자의 검출을 처리하는 일 실시형태에서는, TRU들이 신규 인증 키를 재인증한 다음 무선 네트워크와 재연결하도록 강제하고 있다. 또 다른 접근 방식은 인증된 사용자가 재인증될 수 있지만 TRU는 재인증이 될 때까지 데이터를 송신할 수 없도록 WEP 또는 다른 키를 조작하는 방식이다.
워터마크 기술
이하, 워터마크에 대한 또 다른 기술을 설명하고자 한다. 이 기술은 아날로그, 디지털, GSM, UMTS W-CDMA (FDD, TDD 및 TD-SCDMA), CDMA2000, IEEE 802. 11a, b, g 및 n, IEEE 802.15, IEEE 802.16, 무엇보다도 Bluetooth와 같은 많은 무선 시스템과 함께 이용될 수 있다. 다른 기술로 설명하고 있지만, 이들 기술은 여러 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 일부 무선 시스템은 직교 주파수 분할(OFDM) 및 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 방식 모두에 대하여 이용될 수 있다. 따라서, 이들 기술과 관련된 OFDM과 CDMA을 결합하여 이용할 수 있다.
에러 수정 코드
대부분의 무선 통신 시스템은 에러 검출 또는 수정 코딩을 이용한다. 이들 기술은 워터마크 또는 워터마크 채널을 이송하도록 구성된다. 한 기술은 워터 마크 정보를 이송하는데 펑처링을 이용한다. 많은 무선 시스템에서, 펑처링은 데이터 비트의 수를 특정된 수로 감소시키는데 사용되며 그 외 다른 용도로 사용된다. 펑처링의 패턴은 변형되어 워터마크를 표시한다. 펑처링 패턴의 개개의 변경은 워터마크의 비트를 나타낸다. 또한, 데이터 스트림은 워터마크를 이송하는데 통상적으로 이용되는 것보다 많이 추가된 중복을 가질 수 있다. 예를 들어, 데이터는 1/3 또는 1/4 순방향 에러 수정(FEC) 레이트로 인코딩되어 통상의 1/2 FEC 레이트 아래로 펑처링된다.
에러 수정 코드에 의해 워터마크를 전송하는 또 다른 기술은 데이터 스트림의 채널 코딩 이전의 워터마크로 FEC 시프트 레지스터를 초기화하는 것이다. 이와 유사하게, 순환 중복 검사(CRC) 코드를 생성하는데 이용되는 시프트 레지스터는 워터마크에 의해 초기화된다. FEC 코드의 중복 비트들은 워터마크에 대한 비트로 교체된다. 송신 및 수신 TRU는 중복 비트가 교체되었는지를 확인한다. FEC 테일 비트는 이들 비트 내에 워터마크를 내장하게끔 변형된다. 또한, 워터마크는 FEC 출력, CRC 출력 및 콘볼루션 및 터보 코딩 정보상에 마스킹될 수 있다. 통상적으로 워터마크는 FEC 출력, CRC 출력, 콘볼루션 및 터보 코딩 정보에 모듈로-2 추가된다. 워터마크의 길이가, 마스킹되어진 정보의 길이와 동일하지 않을 경우, 워터마크는 정보 또는 출력의 일부에만 적용된 다음 제로로 패딩되거나, 잘려지거나 반복된다.
채널 코딩
많은 무선 채널들은 식별, 통신 구별, 데이터 시퀀스에서의 바이어스 제거 및 그 외의 다른 목적을 위하여 채널 코딩을 이용한다. 워터마크는 이들 코드를 이용하여 이송될 수 있다. 많은 무선 시스템에서, 스크램블링 코드 및 그 외의 코드가 이용되고 있다. 워터마크는 이들 코드 내에 내장된다. 코드의 비트들은 코드에 워터마크를 내장하게끔 변경된다. 변경된 비트들은 코드 시퀀스의 시작에 있을 수 있고 코드 시퀀스의 세그먼트에 있을 수 있으며 또는 전체 코드 시퀀스에 걸쳐 있을 수 있다. 보다 심하게 코딩된 (심하게 중복된) 통신에서는, 변경된 비트로 인하여 신호 간섭 대 잡음비(SINR)에 작은 열화가 발생하는 경우에도 이들 정보가 판독가능하다.
다른 방법으로, 어떤 코드를 발생시키는데 이용되는 다항식은 워터마크를 식별하게끔 변형된다. 다항식의 값은 워터마크 데이터를 포함한다. 이러한 워터마크된 다항식은 전체 시퀀스 또는 프리앰블, 미드앰블, 또는 테일과 같은 작은 특정된 부분에 이용될 수 있다.
많은 무선 시스템은 유연성 또는 적응성 변조 및 코딩 방식을 갖고 있다. 이러한 유형의 변조 및 코딩은 워터마크의 비트들을 식별하게끔 변형된다. 예를 들어, 송신 TRU는 QPSK 와 16-QAM 간을 스위칭하여 워터마크의 비트를 표시한다.
메시지 비트 조작
많은 무선 시스템은 (추후 사용을 위하여 예약해 놓은 것과 같이) 사용하지 않는 비트 또는 심볼과 사용하지 않는 시간 간격을 갖고 있다. 워터마크 비트는 이들 사용하지 않는 비트와 사용하지 않는 기간 내에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 레이트에서 주기적으로 매칭하는 비트를 데이터에 추가하여 특정 수의 심볼 또는 비트들을 충족시킬 수 있다. 워터마크는 비트 또는 심볼 이전에 제로 패딩 또는 반복하는 대신에 이들 비트를 이용한다.
다른 방식으로, 사용되는 비트 또는 심볼이 파일롯, 제어 및 메시지와 같은 워터마크 비트들을 이송하는데 이용된다. 이들 데이터 비트 내의 미리 결정된 위치에서, 워터마크를 이송하도록 하는 변형이 발생한다. 워터마크 위상(phase)을 이송하는 또 다른 기술은 심볼 배치(constellation)와 같은 심볼을 회전시키는 것이다. 이들 변경은 시간에 걸쳐 느리게 발생한다. 이러한 상태에서의 변경에 의해 워터마크의 비트를 표시한다.
여러 물리 또는 RF 기술
많은 무선 통신에서, 펄스 성형 필터와 스펙트럼 성형 필터를 이용한다. 펄스 또는 스펙트럼 성형에 이용되는 계수는 워터마크를 이송하게끔 변형된다. 발생된 펄스 또는 스펙트럼 성형에 대한 계수들의 세트의 선택이 워터마크를 이송한다. 수신 TRU는 수신된 펄스 또는 스펙트럼의 형상을 분석하여 어떤 계수가 송신에 이용되었는지를 판정한다. 예를 들어, N 세트의 계수를 이용하여 허용가능한 펄스 또는 스펙트럼 형상을 생성할 수 있는 경우, 각각의 계수 세트 선택마다 워터마크의 최대 log2N 비트까지 구별하는 것이 가능하게 된다.
통상적으로, 무선 통신에서는, 수신 TRU에서의 정확한 복조를 돕기 위하여 정확하게 송신 변조를 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, QPSK 변조에서는 통상적으로, 4개의 가능한 송신 배치 값을 포인트로 볼 수 있는데 통상 값(1+j, 1-j,-1+j 및 -1-j)으로 볼 수 있다. 이들 값은 워터마크 비트 또는 심볼을 나타내게끔 오프셋될 수 있거나, 또는 이들 값은 정확한 포인트 값 대신에 작은 곡선을 형성하여 워커마크 비트를 식별하는 것과 같이 정확한 포인트를 형성할 수 없다.
사용자 데이터 스트림 송신을 위하여 3GPP 및 3GPP2를 포함하는 많은 무선 통신 시스템에서는, FEC 타입, FEC 코딩 및 변조 타입과 같은 물리 계층 파라미터의 수개의 가능한 조합이 있을 수 있다. 3GPP에서, 이들 파라미터는 송신 포맷 구성(TFC)이라 한다. 데이터 스트림의 송신을 위한 TFC의 선택에 의해 워터마크를 이송한다.
RF 관련 기술
워터마크의 비트를 나타내기 위하여, 반송파 주파수가 조정된다. 이들 조정은 특정 시간 간격에서 발생하여 그러한 조정이 도플러 시프트 및 그 외 반송파 주파수 드리프트로부터 구별가능하게 된다. 조정량은 워터마크 비트의 표시이다. 예를 들어, 반송파는 수백 또는 수천 헤르쯔(Hz)의 증분량만큼 조정될 수 있다.
지터는 통신에서 처리되어야 할 문제로 된다. 워터마크는 인위적인 지터를 생성함으로써 신호에 기입될 수 있다. 예를 들어, 느린 스크램블링 코드 지터가 반송파 주파수에 대하여 도입된다. 워터마크 정보는 지터의 상단에서 변조된 효과적인 주파수 위상 시프트 키이다.
워터마크 비트를 이송하기 위하여, 시간 또는 지연 특성을 가진 채널이 변형된다. 예를 들어, 데이터의 송신이 인위적으로 지연되어 워터마크의 비트(들)을 표시한다. CDMA 타입 시스템에서는, 채널화 코드에서 이러한 지연이 발생할 수 있다. 또한, 코드 지연들 간의 차이를 이용하여 워터마크의 비트를 표시할 수도 있다.
안테나 관련 기술
다중 입력/다중 출력(MIMO) 통신에서는, 여러 안테나 소자에 의해 생성된 MIMO 채널을 공간 확산 펑션으로 볼 수 있다. 송신된 MIMO 파형은 워터마크의 비트를 표시하게끔 변형된다. 예를 들어, 개방 루프 공간 확산시, Hadamard 매트릭스와 같은 매트릭스를 이용하여 비트들을 이송한다. 공간 확산에 이용되는 특정 방사 시퀀스를 이용하여 워터마크를 이송한다. 이러한 처리를 행하는 한 접근방식으로는, Hadamard 매트릭스 대신에 Shelton-Butler 매트릭스의 하드웨어 버전을 이용하는 것이 있다. 다른 매트릭스 입력 또는 출력 포트에 대한 스위칭은 위상 회전 시퀀스를 자동으로 변경하여 워터마크를 생성한다.
워터마크를 송신하는 또 다른 기술은 안테나 편파를 이용한다. 안테나 또는 안테나 어레이의 편파는 비트를 변조하도록 변경되어 워터마크를 제공한다. 예를 들어, 편파는 동기식 의사 랜덤 방식으로 변경된다.
송신 다이버시티에서는, 공간 시간 블록 코딩(STBC) 및 공간 주파수 블록 코딩(SFBC)과 같은 여러 코딩 기술이 이용된다. 이들 심볼의 코딩은 워터마크 비트를 이송하게끔 변형된다. 예를 들어, 다른 모든 심볼 주기의 심볼들이 반전 또는 비반전에 의해 워터마크의 비트를 내장할 수 있다.
지연 송신 다이버시티
무선 시스템에서, 수신 채널 지연 프로파일이 워터마크용 정보 이송 매체로 되도록 변형되게끔 무선 채널을 변형시킨다. 수신기에서는, 채널 추정값의 확장에 의해 워터마크를 추출하여 디코딩함으로써 워터마크를 이송하는 채널 지연 프로파일 특성을 추출한다.
전파 채널의 특성은 워터마크를 내장하는데 이용된다. 그 결과, 워터마크가 확인되지 않거나 수신기가 이용중인 기술을 인식하지 못하는 경우 워터마크가 검출되거나 모의되는 것이 어렵게 된다. 또한, 이러한 기술은 워터마크를 확인하지 못하는 수신기로 하여금 추가되는 정보의 디코딩이 없이도 동작할 수 있게끔 한다. 특히, 기존의 인프라스트럭처 장비는 이러한 기술과 함께 동작하는 것이 가능하다.
이하, 도 5와 도 6을 참조하여 이러한 기술의 실시형태에 대하여 설명한다. 도 5는 송신 TRU의 간략한 블록도를 나타낸다. 다이버시티 송신기(60)는 다이버시티 안테나를 송신하기 위한 설비를 포함하는 어떤 적절한 송신기일 수 있다. 보다 자세하게는, 2개의 별도의 송신 체인을 포함하고 있다. 다이버시티 송신기(60)는 제2 안테나의 상대 지연값들이 워터마크 비트의 값에 동일하도록 하는 방식으로 변조되는 가변(조정가능) 지연 디바이스(64)를 포함한다. 2개의 송신 안테나(66)를 이용하여 설명하고 있지만, 이 실시형태는 추가 지연을 부가함으로써 어떠한 수의 안테나 소자로도 확장할 수 있다.
워터마크 패턴 생성기(62)는 의사 랜덤 시퀀스와 같은 워터마크 시퀀스를 생성한다. 지연 디바이스(64)는 워터마크 패턴에 응답하여 기준 안테나 소자에 대하여 안테나 소자에 송신되는 신호를 지연시킨다. 예를 들어, 복수의 칩 또는 심볼들에서 지연을 제어할 수 있으며, 평균 지연이 채널의 코히어런스 대역폭(또는 어떤 배수의 코히어런스 대역폭) 보다도 커지도록 지연을 바람직하게 조정한다.
송신 안테나(66)는 신호가 서로에 대하여 다이버시티를 나타냄을 보장하도록 충분히 상관되지 않는다. 이는 편파 안테나 또는 지향성 안테나의 이용하는 등 안테나들을 적절하게 분리시켜 구현될 수 있다. 바람직하게는, 안테나들의 간격이 보다 적게 이용될 수 있는 경우에도, 반송파 파장의 2배 보다 큰 값으로 안테나들을 이격시킨다.
상술한 기술을, 복수의 안테나를 채택하는 경우로 설명하고 있지만, 단일 안테나에 대해서도 채택할 수 있다. 지연된 데이터 스트림과 지연되지 않은 데이터 스트림을 모두 결합하여 단일 안테나 상에서 방사시킬 수도 있다. 이러한 구성에서는, 2개의 신호를 구별할 수 있을 정도에서 스트림들 간의 간격을 선택해야 한다. 그 결과, 두번재 스트림은 수신 TRU에 대하여 인위적인 다중경로를 발생시킬 수 있다. 보다 자세하게는, 평균 지연이 채널의 코히어런스 대역폭(또는 어떤 배수의 코히어런스 대역폭) 보다도 작아지도록 지연을 조정한다.
도 6은 수신 TRU를 나타낸다. 수신 안테나(68) 또는 수신 안테나 어레이는 무선 송신을 수신한다. 채널 추정부 또는 경로 탐색기 디바이스(70; 이하, 채널 추정부라 함)는 채널 탭(tap) 계수나 지연 경로들을 식별하는데 이용되는 기술이다. 이러한 지연 경로 시간에서의 확산을 채널의 지연 확산이라고 한다.
워터마크 시퀀스 생성기(72)를 이용하여 기준 워터마크(또는 키)의 프라이빗 카피본을 국부적으로 생성함으로써 수신된 워터마크와 기준 워터마크의 프라이빗 카피본을 비교(또는 상관)한다. 또한, 국부적 프라이빗 카피본은 어떤 다른 수단들 에 의해 예를 들어 GSM(global system for mobile) 폰용 SIM(subscriber information module) 카드 상에 저장되어 있는 카피본으로부터 유도될 수 있다.
상관기(74)를 이용하여 (채널 추정부 내에서의) 수신된 워터마크와 국부적 프라이빗 카피본을 비교한다. 상관값이 높은 경우(특정 임계값 이상인 경우, 예를 들어, 0.9 이상인 경우), 수신된 워터마크는 수신지를 향하는 것으로 간주된다.
애플리케이션의 특징들이 개개의 소자들로 설명되고 있지만, 이들 소자는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 단일의 집적 회로(IC), 다중 IC, 별도의 구성요소들 또는 별도의 구성요소들과 IC(들)의 조합 상에 있을 수 있다.
본 발명의 특징 및 소자들이 바람직한 실시형태에서 특정 조합으로 설명되고 있지만, 바람직한 실시형태의 여타 특징 및 소자들 없이, 또는 본 발명의 여타 특징 및 소자들의 어떤 조합과 함께 또는 이러한 어떤 조합 없이, 각각의 특징 또는 소자를 단독으로 이용할 수도 있다.

Claims (43)

  1. 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법에 있어서,
    토큰 또는 키를 수신하고, 이 토큰 또는 키를 수정(modify)하는 단계와;
    하나 이상의 사용자 데이터 스트림에 대하여 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리를 수행하는 단계와;
    계층 2 또는 계층 3, 물리 계층, 또는 무선 주파수 중 적어도 하나에 워터마크 또는 서명으로서 상기 수정된 토큰 또는 키를 내장하여, 내장형 무선 통신을 생성하는 상기 수정된 토큰 또는 키 내장 단계와;
    상기 내장형 무선 통신을 무선으로 송신하는 단계와;
    상기 내장형 무선 통신을 수신하고 상기 내장형 무선 통신으로부터 상기 워터마크 또는 서명을 추출하는 단계
    를 포함하는, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 내장된 워터마크 또는 서명은 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층 및 무선 주파수 처리 보다 상위인 OSI(open systems interconnection) 계층에서의 임의의 실질적인 처리 이전에 통신을 인증하는데 이용되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명 내장 단계는 사용자 데이터 스트림을 이송하는 하나 이상의 물리 채널과, 상기 하나 이상의 물리 채널 내에 내장된 워터마크 또는 서명 정보를 이송하는 워터마킹 채널을 발생시키는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 내장된 워터마킹 채널은 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층, 및 무선 주파수 처리 보다 상위인 OSI 계층으로부터 보안 관련 데이터를 이송하는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 워터마킹 채널은 암호화되어 있는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 물리 채널은, 상기 워터마킹 채널이 유지되도록, 상기 하나 이상의 물리 채널을 통하여 전송되는 사용자 데이터가 없는 경우 주기적으로 유지되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 상기 하나 이상의 물리 채널 상에 기입되는(imprinted) 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 에러 검출 또는 에러 수정 코딩을 이용하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 스크램블링 또는 채널화 코드를 이용하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 사용자 데이터 스트림의 비트를 이용하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 펄스 또는 스펙트럼 형상을 조정하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 변조를 조정하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 반송파 주파수, 지터, 및 시간(temporal) 또는 지연 특성 중 적어도 하나를 조정하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 안테나 편파(polarization)를 조정하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 위상 회전 시퀀스를 이용하는 MIMO 통신에 대하여 조정되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 위상 회전은 Shelton-Butler 매트릭스 하드웨어를 이용하고 입력 또는 출력 포트를 스위칭하여 수행되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 복수의 송신 안테나들 간의 지연을 변경하여 내장되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 사용자 데이터의 상기 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리는 송수신 유닛에 의해 수행되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 사용자 데이터의 상기 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리는 송수신 유닛 및 하나 이상의 네트워크 노드에 의해 수행되는 것인, 무선 통신용 워터마크 또는 서명을 내장하고 추출하는 방법.
  21. 송수신 유닛(TRU)에 있어서,
    토큰 또는 키를 수신하고, 이 토큰 또는 키를 수정하는 수단과;
    하나 이상의 사용자 데이터 스트림에 대하여 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리를 수행하는 수단과;
    계층 2 또는 계층 3, 물리 계층, 또는 무선 주파수 중 적어도 하나에 워터마크 또는 서명으로서 상기 토큰 또는 키를 내장하여, 내장형 무선 통신을 생성하는 상기 토큰 또는 키 내장 수단과;
    상기 내장형 무선 통신을 무선으로 송신하는 수단
    을 포함하는 송수신 유닛(TRU).
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서, 상기 내장된 워터마크 또는 서명은 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층, 및 무선 주파수 처리 보다 상위인 OSI 계층에서의 임의의 실질적인 처리 이전에 통신을 인증하는데 이용되는 것인 송수신 유닛.
  24. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명 내장 수단은 사용자 데이터 스트림을 이송하는 하나 이상의 물리 채널과, 상기 하나 이상의 물리 채널 내에 내장된 워터마크 또는 서명 정보를 이송하는 워터마킹 채널을 발생시키는 것인 송수신 유닛.
  25. 제24항에 있어서, 상기 내장된 워터마킹 채널은 계층 2 또는 계층 3, 물리 계층, 및 무선 주파수 처리 보다 상위인 OSI 계층으로부터 보안 관련 데이터를 이송하는 것인 송수신 유닛.
  26. 제24항에 있어서, 상기 워터마킹 채널은 암호화되어 있는 것인 송수신 유닛.
  27. 제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 물리 채널은, 상기 워터마킹 채널이 유지되도록, 상기 하나 이상의 물리 채널을 통하여 전송되는 사용자 데이터가 없는 경우 주기적으로 유지되는 것인 송수신 유닛.
  28. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 상기 하나 이상의 물리 채널 상에 기입되는(imprinted) 것인 송수신 유닛.
  29. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 에러 검출 또는 에러 수정 코딩을 이용하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  30. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 스크램블링 또는 채널화 코드를 이용하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  31. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 사용자 데이터 스트림의 비트를 이용하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  32. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 펄스 또는 스펙트럼 형상을 조정하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  33. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 변조를 조정하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  34. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 반송파 주파수, 지터, 및 시간(temporal) 또는 지연 특성 중 적어도 하나를 조정하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  35. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 안테나 편파(polarization)를 조정하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  36. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 위상 회전 시퀀스를 이용하는 MIMO 통신에 대하여 조정되는 것인 송수신 유닛.
  37. 제36항에 있어서, 상기 위상 회전은 Shelton-Butler 매트릭스 하드웨어를 이용하고 입력 또는 출력 포트를 스위칭하여 수행되는 것인 송수신 유닛.
  38. 제21항에 있어서, 상기 워터마크 또는 서명은 복수의 송신 안테나들 간의 지연을 변경하여 내장되는 것인 송수신 유닛.
  39. 제21항에 있어서, 상기 사용자 데이터의 상기 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리는 송수신 유닛에 의해 수행되는 것인 송수신 유닛.
  40. 제21항에 있어서, 상기 사용자 데이터의 상기 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리는 송수신 유닛 및 하나 이상의 네트워크 노드에 의해 수행되는 것인 송수신 유닛.
  41. 제21항에 있어서, 상기 TRU는 무선 TRU인 것인 송수신 유닛.
  42. 제21항에 있어서, 상기 TRU는 기지국인 것인 송수신 유닛.
  43. 제21항에 있어서, 상기 계층 2 또는 계층 3 처리, 물리 계층 처리, 및 무선 주파수 처리를 수행하는 수단과 상기 워터마크 또는 서명 내장 수단과 상기 무선으로 송신하는 수단은 집적 회로에 포함되어 있는 것인 송수신 유닛.
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