KR101135345B1 - 네트워크 부호화 기반의 인위적 잡음을 활용한 보안 통신 장치 및 방법 - Google Patents

네트워크 부호화 기반의 인위적 잡음을 활용한 보안 통신 장치 및 방법 Download PDF

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KR101135345B1
KR101135345B1 KR1020100122140A KR20100122140A KR101135345B1 KR 101135345 B1 KR101135345 B1 KR 101135345B1 KR 1020100122140 A KR1020100122140 A KR 1020100122140A KR 20100122140 A KR20100122140 A KR 20100122140A KR 101135345 B1 KR101135345 B1 KR 101135345B1
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Abstract

채널 정보로부터 인위적 잡음 패턴을 생성하여 보낼 신호에 네트워크 부호화 방식으로 연산을 수행함으로써, 의도된 신호의 전력 손실이 없이 효율적으로 전송하는 통신 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일측에 따르면, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성부, 및 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성부를 포함하는 보안 통신 장치가 제공된다.

Description

네트워크 부호화 기반의 인위적 잡음을 활용한 보안 통신 장치 및 방법{Apparatus and method for secret communication using artificial noise incorporated with network coding}
본 발명은 보안 통신 방법에 연관되며, 보다 특정하게는 무선 통신 환경에서 의도되지 않은 노드의 도청을 효과적으로 방지하는 통신 장치 및 방법에 연관된다.
종래의 보안 전송 기법은 도 1에 도시된 바와 같은 환경에서 송신 노드인 소스(Source) 노드(110)가 신호를 전송 할 때, 도청자(Eavesdropper) 노드(130)에 감쇠(attenuation or cancelling) 영향을 주는 인위적 잡음(artificial noise)을 생성하고, 이러한 인위적 잡음을 송신하고자 하는 신호에 추가함으로써 도청을 방지하는 기법이다.
이러한 종래의 보안 통신 기법에서 소스 노드(110)가 전송하는 신호
Figure 112010079564826-pat00001
는 다음과 같이 생성된다.
Figure 112010079564826-pat00002
여기서
Figure 112010079564826-pat00003
는 송신의 대상이 되는 정보에 대응하는 신호 벡터이며
Figure 112010079564826-pat00004
는 이러한 보안 통신 기법의 특징인 인위적 잡음 벡터이고
Figure 112010079564826-pat00005
는 송신하려는 신호와 인위적 잡음 신호간의 세기를 조절하는 파라 미터이다.
Figure 112010079564826-pat00006
가 클수록 인위적 잡음의 영향이 크다.
신호를 보내고자 하는 목적지(Destination) 노드(120)에서는 인위적 잡음에 영향을 받으면 안되기 때문에 인위적 잡음인
Figure 112010079564826-pat00007
는 소스 노드(110)와 목적지 노드(120) 사이의 채널인
Figure 112010079564826-pat00008
의 널 스페이스(null-space) 기법을 이용하여 디자인 된다.
Figure 112010079564826-pat00009
의 널 스페이스(null-space)로 디자인된 인위적 잡음
Figure 112010079564826-pat00010
는
Figure 112010079564826-pat00011
을 만족 시켜서 다음 식과 같이 목적지 노드(120)에서 받은 신호는 인위적 잡음에 영향을 받지 않게 된다.
Figure 112010079564826-pat00012
그러나 도청자 노드(130)가 받은 신호는 다음 식과 같이 인위적 잡음에 영향을 받게 되어 도청을 방지시키게 된다.
Figure 112010079564826-pat00013
이러한 기존의 보안 기법에서 중요한 점은 파라미터
Figure 112010079564826-pat00014
을 어떻게 디자인해야 되는가 인데,
Figure 112010079564826-pat00015
를 크게 디자인하게 되면 인위적 잡음 신호의 세기는 커지게 되어 도청을 더 힘들게 할 수 있지만 목적지 노드(120)에서 전송의 대상이 되는 정보 신호의 세기도 작아지게 되어 목적지 노드(120)에서도 상기 정보 신호를 정확히 찾을 수 없을 수 있고,
Figure 112010079564826-pat00016
를 작게 디자인 하게 되면 도청자 노드(130)가 인위적 잡음에 영향을 작게 받게 되어 도청을 방지 할 수 없게 된다. 따라서, 상기 파라미터
Figure 112010079564826-pat00017
값의 디자인에 전체 보안 통신의 성능이 달려 있다.
그리고, 기존 기법의 경우 보안 전송을 위하여 인위적 잡음 신호에도 전력을 사용하여야 하므로 의도된 신호의 전력 손실이 발생하여 수신 비트오율(Bit Error Rate; BER)이 증가하게 된다.
채널 정보로부터 인위적 잡음 패턴을 생성하여 보낼 신호에 네트워크 부호화 방식으로 연산을 수행함으로써, 의도된 신호의 전력 손실이 없이 효율적으로 전송하는 통신 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일측에 따르면, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성부, 및 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성부를 포함하는 보안 통신 장치가 제공된다.
한편, 상기 보안 통신 장치는, 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값이 주어지지 않은 경우, 파일럿 신호를 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정하는 채널 추정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 노이즈 생성부는, 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 노이즈 생성부는, 상기 소스 노드 및 상기 목적지 노드 중 적어도 하나에 포함되는 안테나 수에 비례하도록 상기 인위적 노이즈 신호의 비트 수를 늘려서 생성한다.
한편, 상기 신호 합성부는, 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트를 변조하기 전에, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 신호 합성부는, 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트를 변조하기 전에, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 XOR 연산에 의하여 네트워크 부호화 기법으로 합성한다.
이 경우, 상기 신호 합성부는, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성한 후, 상기 합성된 신호를 QPSK 기법, 16QAM 기법 또는 64QAM 기법 중 등으로 변조할 수 있다. 변조 방법으로는, 이외에도 8PSK, 128QAM, 256QAM 등 다른 변조 방법을 적용할 수도 있으며, 이하에서는 별다른 언급이 없더라도, 본 발명은 특정한 변조 방법에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 일측에 따르면, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정부, 및 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원부를 포함하는 보안 통신 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성 단계, 및 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성 단계를 포함하는 보안 통신 방법이 제공된다.
상기 보안 통신 방법은, 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값이 주어지지 않은 경우, 상기 노이즈 생성 단계에 앞서서, 파일럿 신호를 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정하는 채널 추정 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정 단계, 및 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원 단계를 포함하는 보안 통신 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 소스 노드에서, 상기 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성 단계, 상기 소스 노드에서, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성 단계, 상기 목적지 노드에서, 상기 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정 단계, 및 상기 목적지 노드에서, 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원 단계를 포함하는 보안 통신 방법이 제공된다.
목적지 노드의 수신 성능을 낮추지 않고 도청자 노드의 수신 성능을 감소시킬 수 있어서, 통신 보안이 향상된다.
인위적 잡음 신호를 생성하기 위해 소스 노드의 안테나 개수가 신호의 목적지 노드의 안테나 개수보다 많은 구조를 요구하지 않고, 송수신 구조에 상관없이 보안 전송이 가능하다.
도 1은 소스 노드와 목적지 노드 및 도청자 노드의 네트워크 구성을 도시하는 개념적 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소스 노드를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 목적지 노드를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 모든 노드의 안테나가 한 개인 경우 보안 통신을 수행하는 과정을 도시하는 개념적 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통신 장치에서 네트워크 부호화를 이용하여 인위적 잡음을 생성하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, QPSK 방식 변조인 경우에 채널 정보가 완벽히 주어지는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, QPSK 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에 따른, 16QAM 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에 따른, 64QAM 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 소스 노드에서의 동작을 도시하는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 목적지 노드에서의 동작을 도시하는 흐름도이다.
이하에서, 본 발명의 일부 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 소스 노드와 목적지 노드 및 도청자 노드의 네트워크 구성을 도시하는 개념적 블록도이다. 상술한 종래의 기술에서도 도 1에 도시된 네트워크 구성을 참조하여 설명하였지만, 도 1의 네트워크 구성이 종래기술 또는 본 발명의 실시예 중 어느 한 쪽에만 국한되어 참조되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들은 도 1과 같이 도청자 노드가 존재하는 상황에서, 특히 소스 노드(110)에서 채널을 통해 송신되는 신호를 복호화하기에 앞서서, 채널 특성에 따라 생성한 인위적 노이즈를 원 신호에 네크워크 코딩 기법으로 합성한 후에, 복호화 함으로써 보안 전송의 효율을 높이는 것이다.
이러한 본 발명의 실시예들에 따르면, 인위적 신호에 별도의 전력을 할당하지 않고도 목적지 노드(120)에서는 노이즈 추정이 가능하고 도청자 노드(130)에서는 노이즈 추정이 불가능하여, 보안 통신이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소스 노드(200)를 도시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 소스 노드(200)는, 목적지 노드(도 3의 300)로 정보를 포함하는 원 신호를 전송하는 전송 노드(transmitter node)이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 소스 노드(200)는, 상기 소스 노드(200)와 목적지 노드(300)의 채널 값을 미리 알고 있다. 그러나, 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 소스 노드(200)는, 상기 채널 값을 미리 알고 있지 않다.
일부 실시예에서 소스 노드(200)가 상기 채널 값을 미리 알고 있지 않은 경우에, 소스 노드(200)의 채널 추정부(210)은, 파일럿 신호(pilot signal)를 목적지 노드(300)와의 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정한다. 파일럿 신호 전송 및 채널 추정 과정은 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
그리고, 소스 노드(200)의 노이즈 생성부(220)는, 상기 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성한다. 이 경우, 노이즈 생성부(220)는 상기 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈를 생성한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 노이즈 생성부(220)는, 소스 노드(200) 및 목적지 노드(300) 중 적어도 하나에 포함되는 안테나 수에 비례하도록 상기 인위적 노이즈 신호의 비트 수를 늘려서 생성한다.
노이즈 생성부(220)의 동작에 관해서도 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
그러면, 소스 노드(200)의 신호 합성부(230)는, 상기 인위적 노이즈 신호를, 소스 노드(200)가 목적지 노드(300)로 전송하고자 하는 원 신호 비트(original signal bit)와 네트워크 부호화 기법에 의해 합성한다. 이러한 신호 합성 과정은, XOR 연산에 의할 수 있다.
여기서, 신호 합성부(230)는, 소스 노드(200)로부터 목적지 노드(300)로 전송하고자 원 신호(original signal) 비트를 변조(modulation)하기 전에, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 원 신호와 합성하고, 합성된 신호를 변조한다.
이 경우, 상기 변조 방법은, QPSK 기법, 16QAM 기법 또는 64QAM 기법 등 통상적인 데이터 통신에 사용되는 변조 기법 중 어느 하나일 수 있다.
신호 합성부(230)는, 상기 인위적 노이즈 신호를 네트워크 부호화 기법에 의해 상기 원 신호와 합성한 후에, 통신을 위해 합성된 신호를 변조(modulation)한다. 따라서, 변조된 신호에 인위적 노이즈를 합성하는 종래의 기술에 비해, 전력 효율이 높으면서도, 보안 통신 성능이 향상된다.
신호 합성부(230)의 동작에 관해서도 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 목적지 노드(300)를 도시한다.
목적지 노드(300)는 노이즈 추정부(310) 및 신호 복원부(320)를 포함할 수 있다.
상기 도 2의 소스 노드(200)으로부터, 인위적 노이즈가 원 신호에 네트워크 부호화 기법으로 합성된 후 변조와 채널 전송을 거쳐 목적지 노드(300)에 의해 수신된다.
그러면, 목적지 노드(300)의 복조부(demodulator)(도시되지 않음)는 이를 복조(demodulation)한다.
그리고, 노이즈 추정부(310)는 상기 소스 노드(200)가 생성했던 인위적 노이즈를 추정한다. 채널 값이 미리 알려져 있는 실시예에서는 상기 채널 값에 따라, 상기 소스 노드(200)가 인위적 노이즈 신호를 생성했던 방법과 동일하게 노이즈를 추정할 수 있다.
그렇지 않고, 채널 값이 알려져 있지 않은 실시예에서는, 소스 노드(200)의 채널 추정부(210)와 파일럿 신호를 주고 받아서 채널 값을 안 후에 노이즈 추정이 수행될 수 있다.
신호 복원부(320)는, 이렇게 추정된 노이즈를 이용하여, 이를테면, 비트 별 XOR 연산에 의한 네트워크 복호화 과정을 수행하며, 이렇게 하여 상기 원 신호(original signal)를 복원할 수 있다.
한편, 도 1의 도청자 노드(130)는 채널 값을 미리 알고 있지도 못하고, 통신 중에 채널 값을 추정할 수 없기 때문에, 이러한 신호 복원을 할 수 없다.
목적지 노드(300)에서 신호를 복원하는 과정도 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 모든 노드의 안테나가 한 개인 경우 보안 통신을 수행하는 과정을 도시하는 개념적 블록도이다.
모든 노드의 안테나가 한 개인 경우를 가정하였으므로, 도 1에서 도시된 안테나의 수들
Figure 112010079564826-pat00018
이다.
그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통신 장치에서 네트워크 부호화를 이용하여 인위적 잡음을 생성하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
다시 한 번 언급하지만, 본 발명의 실시예들에 있어서 기본이 되는 가정은 채널
Figure 112010079564826-pat00019
또는
Figure 112010079564826-pat00020
가 소스 노드(200)와 의도된 목적지 노드(300) 사이에만 공유되며 도청자 노드(130)에는 알려지지 않는다는 점이다. 이는 기존의 기술에서도 동일한 기본 가정이며 상향 전송 및 하향 전송을 TDD(Time Division Duplex) 구조로 설계함으로써 구현이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 의한 보안 통신 장치의 동작을 단계 별로 나누어 설명한다.
(1) 노이즈 생성부(220)의 인위적 잡음 형성
인위적 잡음은 도 4에 표시된
Figure 112010079564826-pat00021
에 의해 형성된다.
도 5는 하나의 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 2 비트의 인위적 잡음을 형성하는 예이다. 이 예에서, 채널 값과 인위적 잡음 간의 대응 관계는 아래와 같이 표현된다.
Figure 112010079564826-pat00022
위 식에서
Figure 112010079564826-pat00023
및
Figure 112010079564826-pat00024
는 각각 실수부와 허수부를 나타낸다. 위 대응 관계를 나타내는
Figure 112010079564826-pat00025
는 하나의 예로서 2차원 벡터 양자화하는 방식에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
또한 소스 노드(200)의 안테나가 2개이거나 두 개의 소스 노드들이 협력하여 동시에 전송하는 경우는 채널 값이 2개 존재하므로 도 5의 우측에 도시된 것처럼 4 비트의 인위적 잡음이 형성된다.
(2) 신호 합성부(230)의 인위적 잡음 부가 전송
Figure 112010079564826-pat00026
에 의해 형성된 인위적 잡음은 변조 이전 신호와의 XOR 연산에 활용된다. 변조 방식이 QPSK이고 인위적 잡음이 2 비트인 일 실시예에서는 아래와 같이 부호화된다.
Figure 112010079564826-pat00027
위 식에서
Figure 112010079564826-pat00028
및
Figure 112010079564826-pat00029
가 목적지 노드에 보낼 신호이고
Figure 112010079564826-pat00030
및
Figure 112010079564826-pat00031
가
Figure 112010079564826-pat00032
에 의해 형성된 인위적 잡음이다.
한편 다른 실시예에서, 변조 방식이 16QAM인 경우는 인위적 잡음을 반복 활용하여 다음과 같이 부호화한다.
Figure 112010079564826-pat00033
더 높은 차수의 변조 방식에 대해서도 동일한 방법으로 적용이 가능하다.
(3) 노이즈 추정부(310)의 인위적 잡음 추정
수신 신호에 인위적 잡음이 포함되어 있음을 인지하고 있기 때문에 이를 제거하기 위해 목적지 노드(300)와 도청자 노드(130)는 각각 채널 값인
Figure 112010079564826-pat00034
와
Figure 112010079564826-pat00035
에 수학식 4의 대응 관계를 활용하여 인위적 잡음을 추정한다.
이때 소스 노드(200)에서 인위적 잡음 형성에 활용한 채널 값
Figure 112010079564826-pat00036
는 목적지 노드(200)가 알고 있는 채널 값과 동일하기 때문에 목적지 노드(300)는 네트워크 부호화에 활용된 것과 동일한 인위적 잡음을 구할 수 있다.
반면에 도청자 노드(130)의 채널 값은 소스 노드(200)에서 인위적 잡음 형성에 활용된 채널 값과 다르기 때문에 도청자 노드(130)는 원래의 인위적 잡음과 다른 잡음 형태를 추정할 확률이 높다.
(4) 신호 복원부(320)의 인위적 잡음 제거 및 데이터 신호 복원
인위적 잡음이 추정되면 신호 복원부(320)는 이 값과 복조된 신호에 XOR 연산을 수행하여 원래의 데이터 신호를 복원한다. 변조 방식이 QPSK이고 인위적 잡음이 2 비트인 경우 아래와 같이 복호화할 수 있다.
Figure 112010079564826-pat00037
이때 복조된 신호
Figure 112010079564826-pat00038
및
Figure 112010079564826-pat00039
가 변조된 신호와 동일하면 목적지 노드(300)는 전송된 데이터 신호를 완벽하게 복원한다.
그러나, 도청자 노드(130)는 원래 활용된 것과 다른 인위적 잡음을 구하여 복호화에 사용함으로써 전송된 데이터 신호를 추정하지 못할 확률이 높다.
(5) 채널 값
Figure 112010079564826-pat00040
가 미리 알려져 있지 않은 경우 - 채널 추정부(210)의 파일럿 신호를 이용하 채널 추정
채널 값이 처음부터 소스 노드(200)와 목적지 노드(300) 사이에서 알려져 있는 것은 이상적은 경우로 실제 무선 통신 환경에서는 채널 값을 추정하기 위하여 파일럿 신호를 이용한다.
소스 노드(200)의 채널 추정부(210)가 각 목적지 노드(300)가 알고 있는 신호인
Figure 112010079564826-pat00041
를 전송하면 목적지 노드(300)와 도청자 노드(130)는 각각 다음과 같은 수신 신호를 받는다.
Figure 112010079564826-pat00042
위 식에서
Figure 112010079564826-pat00043
과
Figure 112010079564826-pat00044
는 각각 목적지 노드(300)와 도청자 노드(130)에서의 수신 잡음을 나타낸다.
추정 채널은 수신 신호를 파일럿 신호로 나눔으로써 아래와 같이 계산된다.
Figure 112010079564826-pat00045
위 식에서 뒷부분의 잡음 성분에 의해 추정된 채널과 실제 채널 사이의 오차가 존재한다.
소스 노드(200) 또한 채널 정보를 이용하여야 하기 때문에 목적지 노드(300)에서 파일럿 신호를 보내어 채널 값을 추정한다. 이때 TDD 시스템을 가정하였으므로 채널 값은 상향 링크 및 하향 링크 모두 동일한 특성을 갖는다. 소스 노드의 수신 잡음을
Figure 112010079564826-pat00046
라 할 때, 추정되는 채널 값은 아래와 같다.
Figure 112010079564826-pat00047
따라서
Figure 112010079564826-pat00048
과
Figure 112010079564826-pat00049
이 서로 다른 값을 가지면 형성된 인위적 잡음과 추정된 인위적 잡음이 달라지기 때문에 의도된 노드에서의 비트오율이 증가하는 현상이 발생한다.
그러나 기존 기법의 경우도 인위적 잡음 신호인
Figure 112010079564826-pat00050
를 생성하기 위해 채널 값들을 필요로 하는데 이때 추정된 채널을
Figure 112010079564826-pat00051
라 하면
Figure 112010079564826-pat00052
을 만족하는
Figure 112010079564826-pat00053
를 사용하게 되어
Figure 112010079564826-pat00054
을 만족하지 못하기 때문에 의도된 노드의 수신 신호에서 인위적 잡음이 완벽하게 제거되지 않는 현상이 발생하므로, 이는 본원 실시예에만 국한되는 문제가 아니다.
이러한 과정에 의해, 본 발명의 실시예들에 따르면, 소스 노드(200)에서 보낸 데이터 신호가 도청자 노드(130)에서는 거의 수신되지 않게 하면서 의도한 목적지 노드(300)의 수신 성능을 높일 수 있다.
아래에서는 도 6 내지 도 9의 실험 결과를 통해 복조 방법에 따른 본원 실시예들의 성능 향상의 예시적 결과들을 도시하였다. 참고로, 수신 성능은 비트오율을 기준으로 비교하였다. 비트오율이 낮을수록 수신 성능이 좋은 것이고 비트오율이 0.5인 경우는 데이터가 수신되지 않은 경우를 의미한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, QPSK 방식 변조인 경우에 채널 정보가 완벽히 주어지는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
기존 기법은 도청자 노드의 수신 성능을 악화시키기 위해 인위적 잡음에 더 많은 전력을 할당할수록 목적지 노드(300)의 수신 성능도 감소하는 결과를 보인다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 목적지 노드(300)의 수신 성능을 낮추지 않고 도청자 노드(130)의 수신 성능을 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, QPSK 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에 따른, 16QAM 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이고, 도 9는 64QAM 방식 변조인 경우에 파일럿 신호로 채널을 추정하는 경우의 성능 결과의 예시적 그래프이다.
QPSK의 경우에는 상향 링크 및 하향 링크의 추정 채널 값들의 차이에 의한 영향으로 본 발명의 실시예들에서의 목적지 노드의 수신 성능이 기존 기법보다 다소 열화되는 결과를 보인다.
그러나 16QAM 및 64QAM과 같이 변조 차수가 증가한 경우에는 본 발명의 실시예에 따르면, 목적지 노드(300)의 수신 성능을 향상이 현저히 관찰됨을 알 수 있다.
특히 중요한 점은 본 발명의 실시예들에 따르면, 채널 추정의 영향과 상관없이 도청자 노드(130)의 수신을 우수하게 차단할 수 있다.
또한 기존 기법은 인위적 잡음 신호를 생성하기 위해 소스 노드(200)의 안테나 개수가 수신쪽인 목적지 노드(300)의 안테나 개수보다 많은 구조를 요구한다. 그러나, 이와 달리 본 발명의 실시예들에 따르면, 송수신 구조(특히 안테나 구조나 개수)에 상관없이 보안 전송을 가능하게 한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 소스 노드(200)에서의 동작을 도시하는 흐름도이다.
단계(1010)에서 본 발명의 일부 실시예에 따라, 소스 노드(200)가 상기 채널 값을 미리 알고 있지 않은 경우에, 소스 노드(200)의 채널 추정부(210)는, 파일럿 신호(pilot signal)를 목적지 노드(300)와의 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정한다. 파일럿 신호 전송 및 채널 추정 과정은 도 4 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
그리고, 단계(1020)에서, 소스 노드(200)의 노이즈 생성부(220)는, 상기 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성한다. 이 경우, 노이즈 생성부(220)는 상기 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈를 생성한다. 노이즈 생성 단계(1020)에 대해서는, 도1, 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
그러면, 단계(1030)에서, 소스 노드(200)의 신호 합성부(230)는, 상기 인위적 노이즈 신호를, 소스 노드(200)가 목적지 노드(300)로 전송하고자 하는 원 신호 비트(original signal bit)와 네트워크 부호화 기법에 의해 합성한다. 이러한 신호 합성 과정은, XOR 연산에 의할 수 있다.
신호 합성 단계(1030)에 관해서는, 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 방법에서, 목적지 노드(300)에서의 동작을 도시하는 흐름도이다.
단계(1110)에서, 소스 노드(200)가 전송한 변조된 신호를 목적지 노드(300)가 수신한다. 그리고, (도시되지 않았지만) 수신된 신호가 복조(demodulation)된다.
그리고, 단계(1120)에서, 목적지 노드(300)의 노이즈 추정부(310)는 상기 인위적 노이즈를 추정한다. 채널 값이 미리 알려져 있는 실시예에서는 상기 채널 값에 따라, 상기 소스 노드(200)가 인위적 노이즈 신호를 생성했던 방법과 동일하게 노이즈를 추정할 수 있다.
그렇지 않고, 채널 값이 알려져 있지 않은 실시예에서는, 소스 노드(200)의 채널 추정부(210)와 파일럿 신호를 주고 받아서 채널 값을 안 후에 노이즈 추정이 수행될 수 있다.
노이즈 추정 단계(1120)에 대해서는, 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
그러면, 단계(1130)에서, 신호 복원부(320)는, 이렇게 추정된 노이즈를 이용하여, 이를테면, 비트 별 XOR 연산에 의한 네트워크 복호화 과정을 수행하며, 이렇게 하여 상기 원 신호(original signal)를 복원할 수 있다.
신호를 복원 단계(1130)에 대해서도 도 1, 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 소스 노드
210: 채널 추정부
220: 노이즈 생성부
230: 신호 합성부
300: 목적지 노드
310: 노이즈 추정부
320: 신호 복원부

Claims (15)

  1. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성부; 및
    상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성부
    를 포함하고,
    상기 노이즈 생성부는, 상기 소스 노드 및 상기 목적지 노드 중 적어도 하나에 포함되는 안테나 수에 비례하도록 상기 인위적 노이즈 신호의 비트 수를 늘려서 생성하는 보안 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값이 주어지지 않은 경우, 파일럿 신호를 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정하는 채널 추정부
    를 더 포함하는 보안 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노이즈 생성부는,
    상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈 신호를 생성하는, 보안 통신 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 합성부는,
    상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트를 변조하기 전에, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는, 보안 통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 합성부는,
    상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트를 변조하기 전에, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 XOR 연산에 의하여 네트워크 부호화 기법으로 합성하는, 보안 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호 합성부는,
    상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성한 후, 상기 합성된 신호를 QPSK 기법, 16QAM 기법 또는 64QAM 기법 중 어느 하나로 변조하는, 보안 통신 장치.
  8. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정부; 및
    상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원부
    를 포함하는 보안 통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노이즈 추정부는,
    상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈 신호를 추정하는, 보안 통신 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 신호 복원부는,
    상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호 비트와 XOR 연산에 의한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는, 보안 통신 장치.
  11. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성 단계; 및
    상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성 단계
    를 포함하고,
    상기 노이즈 생성 단계는, 상기 소스 노드 및 상기 목적지 노드 중 적어도 하나에 포함되는 안테나 수에 비례하도록 상기 인위적 노이즈 신호의 비트 수를 늘려서 생성하는 보안 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값이 주어지지 않은 경우, 상기 노이즈 생성 단계에 앞서서, 파일럿 신호를 상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이에서 주고 받아서 상기 채널 값을 추정하는 채널 추정 단계
    를 더 포함하는 보안 통신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 노이즈 생성 단계는,
    상기 소스 노드와 상기 목적지 노드 사이의 채널 값을 실수부와 허수부로 표현되는 2차원 벡터로 양자화하여 상기 인위적 노이즈 신호를 생성하는, 보안 통신 방법.
  14. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정 단계; 및
    상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원 단계
    를 포함하는 보안 통신 방법.
  15. 소스 노드에서, 상기 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 생성하는 노이즈 생성 단계;
    상기 소스 노드에서, 상기 인위적 노이즈 신호를 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송하고자 하는 신호 비트와 네트워크 부호화 기법으로 합성하는 신호 합성 단계;
    상기 목적지 노드에서, 상기 채널 값에 대응하는 인위적 노이즈 신호를 추정하는 노이즈 추정 단계; 및
    상기 목적지 노드에서, 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전송되어 복호화된 신호에, 상기 인위적 노이즈 신호를 이용한 네트워크 복호화 기법을 수행하여, 상기 인위적 노이즈 신호를 제거한 원 신호를 복원하는 신호 복원 단계
    를 포함하는 보안 통신 방법.
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