KR101437296B1 - 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치 - Google Patents

물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101437296B1
KR101437296B1 KR1020130149798A KR20130149798A KR101437296B1 KR 101437296 B1 KR101437296 B1 KR 101437296B1 KR 1020130149798 A KR1020130149798 A KR 1020130149798A KR 20130149798 A KR20130149798 A KR 20130149798A KR 101437296 B1 KR101437296 B1 KR 101437296B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
message
security
value
transmission rate
values
Prior art date
Application number
KR1020130149798A
Other languages
English (en)
Inventor
최완
채승호
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020130149798A priority Critical patent/KR101437296B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101437296B1 publication Critical patent/KR101437296B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04K—SECRET COMMUNICATION; JAMMING OF COMMUNICATION
    • H04K1/00—Secret communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04M—TELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M1/00—Substation equipment, e.g. for use by subscribers
    • H04M1/68—Circuit arrangements for preventing eavesdropping
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00—Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/04—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks
    • H04L63/0428—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks wherein the data content is protected, e.g. by encrypting or encapsulating the payload

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치에 관한 것으로,
상기 방법은 송신 장치와 수신 장치간 거리가 d인 상태에서 상기 수신 장치가 기 설정된 비율의 보안 메시지를 디코딩하지 못할 때 발생하는 통신 두절 확률을 계산하는 단계; 상기 송신 장치가 보안 보호 영역을 형성하고 있을 때, 적어도 하나의 도청 장치가 상기 보안 메시지의 일부를 디코딩할 때 발생하는 보안 불통 확률을 계산하는 단계; 상기 통신 두절 확률과 상기 보안 불통 확률을 기반으로 보안 전송률을 계산하는 단계; 및 보안 메시지의 전송 비율을 "
Figure 112013110992606-pat00112
"로 정의하고,
Figure 112013110992606-pat00113
의 부호 체크를 통해 상기 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치{Message Security method in physical layer and apparatus for transmitting secure message using the same}
본 발명은 메시지 보안 기술에 관한 것으로, 특히 대규모 네트워크에 적용될 수 있든 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치에 관한 것이다.
최근, 통신 기술 발전과 더불어 스마트 폰과 같은 다양한 통신 기기들의 발달로 인해, 무선 통신이 중요성을 더해가고 있다. 무선 통신 환경은, 신호를 브로드캐스트(broadcast)하여 전달하는 특성에 따라, 태생적으로 보안에 굉장히 취약하다.
이로 인해, 도청자들로부터 보안을 향상시키기 위한 방법론에 관해 사람들의 관심이 증가하고, 연구의 중요성이 더해가고 있다.
현재까지 보안을 향상시키기 위해 개발된 기술들은, 대부분 MAC(medium access control)이나 네트워크 계층(Network layer)에서의 암호화 기술에 기반을 두고 있다. 하지만, 최근의 폭발적인 통신 기기들의 발달로 인해, 보안 키 생성 및 분배는 상당한 복잡도를 요구하고, 모든 사용자들을 커버하기에는 여러 가지 한계를 지니고 있다.
이에 대한 대안으로, 물리계층(physical layer)에서, 보안에 관한 연구가 점차 중요성을 더해가며 많은 관심을 받고 있다.
물리계층에서의 보안 향상 기술은 소규모의 네트워크(적은 수의 사용자) 위주로 개발되고 있다. 즉, 소규모 네트워크에서, 도청자들끼리 협력하거나 또는 비협력하는 환경에 대해, 도청자들의 채널 및 위치 정보 유무에 따라 정보이론적 관점에서 보안을 향상 시키는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나 통신기기들의 폭발적인 증가로, 네트워크가 점점 대규모 (많은 수의 사용자들이 동시에 통신을 하고 있음)가 됨에 따라, 대규모의 네트워크에 대한 물리계층에서의 보안 향상 기술 개발에 대한 필요성도 점차 증대되고 있다.
또한, 보안 접속성(secrecy connectivity)나 보안 용량 스케일링(secrecy capacity scaling) 등 정보이론적인 관점에서 성능에 대한 분석이 진행 중이지만, 현실적인 환경의 반영이 미비하거나, 실질적으로 향상을 어떻게 시킬지에 대한 방법론적인 접근에 대해서 연구가 거의 없다.
특히, 도청자들의 수동적인(passive) 특성에도 불구하고, 현재까지 개발된 대부분의 기술들은 도청자들의 채널 특성 및 위치가 알려져 있다고 가정을 하고 있고, 사용자 제한 구역과 같은, 보안 보호 영역(secrecy protected zone)(도청자들이 적어도 이 구역에 침범을 할 수 없음)의 현실적인 환경에 대해서 반영이 되어 있지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대규모 네트워크에도 적용 가능하며, 보안 보호 영역(secrecy protected zone)과 같은 현실적인 환경도 고려할 수 있는 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 송신 장치와 수신 장치간 거리가 d인 상태에서 상기 수신 장치가 기 설정된 비율의 보안 메시지를 디코딩하지 못할 때 발생하는 통신 두절 확률을 계산하는 단계; 상기 송신 장치가 보안 보호 영역을 형성하고 있을 때, 적어도 하나의 도청 장치가 상기 보안 메시지의 일부를 디코딩할 때 발생하는 보안 불통 확률을 계산하는 단계; 상기 통신 두절 확률과 상기 보안 불통 확률을 기반으로 보안 전송률을 계산하는 단계; 및 보안 메시지의 전송 비율을 "
Figure 112013110992606-pat00001
"로 정의하고, 최대값 검출 미분 함수(
Figure 112013110992606-pat00002
)의 부호 체크를 통해 상기 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 단계를 포함하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법을 제공한다.
상기 통신 두절 확률을 계산하는 단계는
Figure 112013110992606-pat00003
의 식에 따라 상기 통신 두절 확률을 계산하며, 상기
Figure 112013110992606-pat00004
는 수신 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기 βT는
Figure 112013110992606-pat00005
이고, 상기 RT는 송신 장치가 전송한 메시지 용량, 상기 ΦI는 간섭 노드들의 위치 집합, 상기 λI는 간섭 노드들의 밀도, 상기 d는 송신 장치와 수신 장치의 거리, 상기 Pi는 i번째 간섭 노드의 파워, 상기
Figure 112013110992606-pat00006
Figure 112013110992606-pat00007
는
Figure 112013110992606-pat00008
, 상기 α는 경로 손실 지수승을 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 보안 불통 확률을 계산하는 단계는
Figure 112013110992606-pat00009
의 식에 따라 상기 보안 불통 확률을 계산하며, 상기
Figure 112013110992606-pat00010
는 k번째 도청 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기 βE는
Figure 112013110992606-pat00011
, 상기 RE는 도청 장치의 채널 용량, 상기 ΦE는 도청 장치들의 위치 집합, 상기 λE는 도청 장치들의 밀도, 상기 P0는 송신 장치의 전송 파워, 상기 r은 전체의 2 차원 면적을 극좌표계로 바꾸어서 적분할때의 적분 반지름을 각각 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 보안 전송률을 계산하는 단계는
Figure 112013110992606-pat00012
의 식에 따라 상기 보안 전송률을 계산하며, 상기 Rp는 보안 보호 영역의 반지름인 것을 특징으로 한다.
상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 단계는 상기 메시지의 전송 비율을 "
Figure 112013110992606-pat00013
"로 정의하고,
Figure 112013110992606-pat00014
로 설정된 제1 값(a)와 1로 설정된 제2 값(b)를 생성하는 단계; 최대값 검출 미분 함수(
Figure 112013110992606-pat00015
)의 값을 확인한 후, "0"보다 크면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "1"로 선택한 후 동작 종료하고, 그렇지 않으면 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 큰지를 확인하는 단계; 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 크다면, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아질 때까지 반복적으로 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00016
의 부호에 따라 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아지면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 동작 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 단계는 상기 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00017
)의 부호가 양의 값을 가지면 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 음의 값을 가지면 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 그렇지 않으면 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 방법은 상기 보안 메시지의 전송 비율에 따라 보안 메시지의 전송 파워 비율과 인공 잡음의 전송 파워 비율을 조정한 후, 상기 보안 메시지에 상기 인공 잡음을 포함시켜 상기 송신 장치에 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 송신 장치와 수신 장치간 거리와 수신 장치의 디코딩 실패 비율을 기반으로 통신 두절 확률을, 보안 보호 영역의 반지름과 도청 장치의 보안 메시지 디코딩 비율을 기반으로 보안 불통 확률을 계산한 후, 상기 통신 두절 확률과 상기 보안 불통 확률을 기반으로 보안 전송률을 계산하는 보안 전송률 계산부; 상기 보안 전송률을 최대화 시키는 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "
Figure 112013110992606-pat00018
"로 정의하고, 최대값 검출 미분 함수(
Figure 112013110992606-pat00019
)의 부호 체크를 통해 상기 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 보안 메시지 전송 비율 계산부; 및 상기 보안 메시지의 전송 비율에 따라 보안 메시지의 전송 파워 비율과 인공 잡음의 전송 파워 비율을 조정한 후, 상기 보안 메시지에 상기 인공 잡음을 포함시켜 상기 송신 장치에 전송하는 메시지 제어부를 포함하는 보안 메시지 송신 장치를 제공한다.
상기 보안 전송률 계산부는 상기 통신 두절 확률을
Figure 112013110992606-pat00020
의 식에 따라 계산하고,
상기 보안 불통 확률을
Figure 112013110992606-pat00021
의 식에 따라 계산하고, 상기 보안 전송률을
Figure 112013110992606-pat00022
의 식에 따라 계산하며, 상기
Figure 112013110992606-pat00023
는 수신 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기
Figure 112013110992606-pat00024
는
Figure 112013110992606-pat00025
, 상기 RT는 송신 장치가 전송한 메시지 용량, 상기 ΦI는 간섭 노드들의 위치 집합, 상기 λI는 간섭 노드들의 밀도, 상기 d는 송신 장치와 수신 장치의 거리, 상기 Pi는 i번째 간섭 노드의 파워, 상기
Figure 112013110992606-pat00026
는
Figure 112013110992606-pat00027
, 상기 α는 경로 손실 지수승, 상기
Figure 112013110992606-pat00028
는 k번째 도청 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기
Figure 112013110992606-pat00029
는
Figure 112013110992606-pat00030
, 상기 RE는 도청 장치의 채널 용량, 상기 ΦE는 도청 장치들의 위치 집합, 상기 λE는 도청 장치들의 밀도, 상기 P0는 송신 장치의 전송 파워, 상기 Rp는 보안 보호 영역의 반지름을 각각 의미하는 것을 특징으로 한다.
상기 보안 메시지 전송 비율 계산부는
Figure 112013110992606-pat00031
로 설정된 제1 값(a)와 1로 설정된 제2 값(b)를 생성하는 과정, 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00032
)의 값을 확인한 후, "0"보다 크면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "1"로 선택한 후 동작 종료하고, 그렇지 않으면 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 큰지를 확인하는 과정, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 크다면, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아질 때까지 반복적으로 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00033
)의 부호에 따라 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 과정, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아지면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 동작 종료하는 과정을 거쳐, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 계산하는 것을 특징으로 한다.
이때의 상기 보안 메시지 전송 비율 계산부는 상기 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00034
)의 부호가 양의 값을 가지면 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 음의 값을 가지면 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 그렇지 않으면 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 실제 존재할 수 있는 시스템을 보다 현실적이고 세부적으로 반영(예를 들어, 보안 보호 영역(secrecy protected zone))하여 보안을 향상시킬 수 있도록 한다.
또한 본 발명에서는 인공 잡음을 사용함으로써, 시스템 보안을 향상시킬 수 있도록 해준다. 특히, 도청자들의 채널 및 위치 정보가 알려져 있지 않고, 다수의 사용자들이 통신을 하고 있는 대규모 네트워크에서, 전송자가 보안 보호 영역(secrecy protected zone) 크기 및 도청자 밀도, 간섭원을 파워, 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)까지의 거리 등을 고려하여, 인공 잡음을 얼마나 사용해야 되는지를 보다 신속하고 효율적으로 찾을 수 있도록 함으로써, 보안 능력이 획기적으로 향상될 수 있도록 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법이 적용되는 통신망 환경을 도시한 도면이다.
도2은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법에 따른 전송 파워 비율 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대규모 네트워크를 위한 보안 메시지 송신 장치를 도시한 도면이다.
도5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법의 성능을 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 물리계층에서의 메시지 보안 방법이 적용되는 네트워크 환경과 보안 전송률(Secrecy transmission rate)을 먼저 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법이 적용되는 통신망 환경을 도시한 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 통신망 환경은 2차원 평면에서, 송신 장치(Alice)는 수신 장치(Bob)에게 보안 메시지(secret message)를 보내고, 다수의 도청 장치(Eve)는 보안 메시지(secret message)를 도청하는 환경을 가지며, 송신 장치(Alice) 및 수신 장치(Bob) 이외에 다수의 도청 장치(Eve)를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 간섭 노드(i)도 포함할 수 있다.
이때, 다수의 간섭 노드(i)들이 서로 통신하고 있고, 수신 장치(Bob) 뿐 만 아니라 도청 장치(Eve)들에게까지 간섭을 미친다고 가정하며, 각 간섭 노드(i)는 하나의 안테나를 가질 수 있다.
송신 장치(Alice)는 도청 장치(Eve)과 간섭 노드(i)의 채널 및 위치 정보를 전혀 알지 못하며, 수신 장치(Bob)에 대해서는 채널은 모르지만, GPS 장치등의 도움으로 거리 d에 대한 정보는 가지고 있음을 가정한다.
송신 장치(Alice)는 데카르트 좌표(Cartesian) 평면에서 원점에 위치하고, 수신 장치(Bob)는 송신 장치(Alice)로부터 거리 d만큼 떨어져 (d,0) point에 위치함을 가정한다.
그리고 송신 장치(Alice)는 다수의 간섭 노드(i)들이 존재할 수 없는 보안 보호 영역(secrecy protected zone)을 반지름 RP의 원 형태의 형성한다고 가정한다.
간섭 노드(i)들과 도청 장치(Eve)들은 각각 λI와 λE의 밀도로, 독립적인 푸아송 포인트 프로세서(Poisson point process)로 2차원 평면에 임의로 위치한다.
이때, 간섭 노드(i)들과 도청 장치(Eve)들의 위치 집합은 각각 ΦI={X1, X2, ...}와 ΦE={Y1, Y2, ...}로 표시될 수 있으며, Xi와 Yi는 각각, i번째 간섭 노드(i)들과 도청 장치(Eve)들의 위치를 각각 의미한다.
이러한 통신망 환경하에서 본 발명의 보안 전송률(Secrecy transmission rate)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
송신 장치(Alice)는 중첩(nested) 구조의 비율 RT로 형성된 와이너 코드북(Wyner codebook)을 사용하여 RS(≤RT) 비율만큼의 보안 메시지를 보낼 수 있다. 만약, 수신 장치(Bob)의 채널 용량이 RT 보다 크고, 적어도 하나의 도청 장치(Eve)의 채널 용량이 RE = RT-RS 보다 크지 않으면, 송신 장치(Alice)는 보안 용량 RS 만큼을 수신 장치(Bob)에게 보낼 수 있다. 이러한 경우, 통신 두절(connection outage)과 보안 불통(secrecy outage)는 다음과 같이 정의될 수 있다.
■ E1(connectionoutage): 수신 장치(Bob)가 용량 RT 로 전송된 메시지(즉, 코드워드(codeword))를 디코딩 못할 때
■ E2(secrecy outage): 적어도 하나의 도청 장치(Eve)의 채널 용량이 RE보다 커서, 도청 장치(Eve)가 보안 메시지의 일부를 디코딩할 때
그 결과, RS 의 용량으로 보안 메시지를 전송 했을 때, 도청을 피해 수신 장치(Bob)에게 성공적으로 전송할 경우는 통신 두절(connection outage)과 보안 불통(secrecy outage)가 동시에 일어나지 않았을 때 가능함을 알 수 있다. 그리고 이는 보안 전송률(Secrecy transmission rate)이라고 정의된 후, 수학식1에서와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00035
한편, 본 발명의 송신 장치(Alice)는 보안 용량 RS 로 보안 메시지를 수신 장치(Bob)에게 보내고, 이와 동시에 도청 장치(Eve)들의 디코딩을 방해하기 위해 인공적인 잡음(artificial Gaussian noise)를 함께 전송한다.
송신 장치(Alice)는 P0의 전송 파워를 가질 수 있으며, 이 중에서 일부 전송 파워(ζP0)는 보안 메시지를 보내는 데 사용하고, 나머지 전송 파워((1-ζ)P0)는 인공적인 인공 잡음을 보내는데 사용한다.
이러한 경우, 수신 장치(Bob)에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio) 은 수학식2에서와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00036
이때, G0은 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)사이의 채널 파워 이득, α는 경로 손실(pathloss) 지수승, Gi는 간섭 노드 i와 수신장치(Bob）사이의 채널 파워 이득, |XBi|=|Xi-(d,0)|는 수신 장치(Bob)과 간섭 노드 i까지의 거리이다.
이와 유사하게, 도청 장치(Eve) k에서의 수신 SINR은 수학식3에서와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00037
이때,
Figure 112013110992606-pat00038
는 송신 장치(Alice)와 도청 장치(Eve) k사이의 채널 파워 이득, Yk는 k번째 도청 장치,
Figure 112013110992606-pat00039
는 k 번째 도청 장치와 i 번째 간섭 노드 사이의 채널 파워 이득, Yki 는 k번째 도청 장치와 i번째 간섭 노드 사이의 채널 파워 이득.
이에 본 발명에서는 다음과 같은 방식으로 본 발명의 보안 전송률(Secrecy transmission rate)과 최적 파워 비율을 찾고, 이를 근거로 하여 메시지를 생성 및 전송함으로써, 메시지 보안 동작이 물리계층에서 수행될 수 있도록 한다.
도2은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 단계 S10에서는 송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)간 거리가 d일 때, 수신 장치(Bob)가 RT 만큼의 보안 메시지를 디코딩하지 못할 때 발생하는 통신 두절(connection outage) 확률을 다음의 수학식4에 따라 계산한다.
Figure 112013110992606-pat00040
이때,
Figure 112013110992606-pat00041
,
Figure 112013110992606-pat00042
는 수신 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), λI는 간섭 노드들의 밀도, d는 송신 장치와 수신 장치의 거리,
Figure 112013110992606-pat00043
, α는 경로 손실 지수승을 각각 의미한다.
단계 S20에서는 송신 장치(Alice)가 반지름 RP의 원으로 보안 보호 영역(secrecy protected zone)을 형성하고 있을 때, 적어도 하나의 도청 장치(Eve)가 보안 메시지 RS의 일부분이라도 디코딩할 때 발생하는 보안 불통(secrecy outage) 확률을 다음의 수학식5에 따라 계산한다.
Figure 112013110992606-pat00044
이때,
Figure 112013110992606-pat00045
이고,
Figure 112013110992606-pat00046
는 k번째 도청 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), λE는 도청 장치들의 밀도, P0는 송신 장치의 전송 파워, r은 전체의 2 차원 면적을 (r,theta)좌표계 (즉, 극좌표계)로 바꾸어서 적분할때의 적분 반지름을 각각 의미한다.
단계 S30에서는, 통신 두절 확률과 보안 불통 확률을 기반으로, 통신 두절(connection outage)과 보안 불통(secrecy outage)이 동시에 일어나지 않았을 때의 보안 전송률(Secrecy transmission rate)을 계산한다.
송신 장치(Alice)와 수신 장치(Bob)간 거리가 d이고, 반지름 RP의 보안 보호 영역(secrecy protected zone)인 경우, 비-제로 보안 전송률(non-zero secrecy transmission rate)이 되는 전송 파워 비율의 범위는
Figure 112013110992606-pat00047
이 되며, 이때의 보안 전송률(R(ζ))을 수학식6에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00048
단계 S40에서는, 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "
Figure 112013110992606-pat00049
"로 정의하고, 보안 전송률 최대값 검출 미분 함수
Figure 112013110992606-pat00050
의 부호 체크를 통해 보안 전송률(R(ζ))을 최대화시킬 수 있는 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득한다.
Figure 112013110992606-pat00051
에서, 보안 전송률(R(ζ))이 0이상이 된다. 따라서 보안 전송률(R(ζ))을 최대화시키기 위한 비밀 메시지와 인공 잡음 사이의 최적의 전송 파워 배분 문제는 다음과 같아진다.
Figure 112013110992606-pat00052
보안 전송률(R(ζ))은
Figure 112013110992606-pat00053
범위에서, 단조 증가(strictly increasing) 함수 또는 강준오목(strictly quasi-concave) 함수 형태를 가지므로, 보안 전송률(R(ζ))은
Figure 112013110992606-pat00054
범위에서 기껏해야 한 개의 임계점(critical point)을 가지거나 또는 임계점이 없을 수 있다.
한편, 페르마(Fermat)의 정리에 따르면, 연속적인 함수의 최대값은 임계점들이나 정의역 범위의 경계에서 나타난다. 따라서 보안 전송률(secrecy transmission rate)을 최대화시키는 최적의 파워 비율은 경계 범위에 있는 값이거나
Figure 112013110992606-pat00055
사이의 임계값이 될 수 있으며, 이하의 수학식 8로 표현될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00056
이때,
Figure 112013110992606-pat00057
는
Figure 112013110992606-pat00058
을 만족하는
Figure 112013110992606-pat00059
에 관한 최대값 검출 미분 함수
Figure 112013110992606-pat00060
의 역함수이고,
Figure 112013110992606-pat00061
는 이하의 수학식 9로 표현될 수 있다.
Figure 112013110992606-pat00062
Figure 112013110992606-pat00063
한편, 역함수
Figure 112013110992606-pat00064
을 만들어주는
Figure 112013110992606-pat00065
를 직접적으로 찾는 것은 복잡도가 높아서 효율적이지 못한 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 이러한 부담에서 벗어나 효율적으로 최적의 파워 비율을 찾기 위한 방법으로, 도3에서와 같이 단순히
Figure 112013110992606-pat00066
의 부호 체크만을 통해 보안 전송률(secrecy transmission rate)을 최대화시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 다만, 이에 대한 상세한 방법은 이하의 도3를 통해 설명하기로 한다.
단계 S50에서는, 단계 S40에서 계산된 보안 메시지의 전송 비율(ζ)에 따라 보안 메시지와 인공 잡음의 전송 파워를 배분하고, 이들 파워를 가지는 보안 메시지와 인공 잡음을 함께 수신 장치(Bob)으로 전송하도록 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법에 따른 전송 파워 비율 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
우선,
Figure 112013110992606-pat00067
로 설정된 제1 값(a)와 1로 설정된 제2 값(b)를 생성한 후(S41), 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00068
)의 값이 "0"보다 큰지 확인한다(S42).
단계 S42의 확인 결과, 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00069
)의 값이 "0"보다 크면, 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "1"로 선택하고 동작 종료한다(S43).
반면, 단계 S42의 확인 결과, 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00070
)이 "0"이하의 값을 가지면, 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 제1 값(a)와 제2 값(b)의 평균값(
Figure 112013110992606-pat00071
)으로 설정한 후(S44), 제1 값(a)와 제2 값(b)의 차이 절대값이 기 설정된 값(ε) 보다 큰지를 확인한다(S45).
제1 값(a)와 제2 값(b)의 차이가 기 설정된 값(ε) 보다 크다면, 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00072
)의 부호를 확인한다(S46, S48).
만약, 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00073
)이 "0"보다 큰 양의 값을 가지는 경우에는 제1 값(a)을 제1 값(a)와 제2 값(b)의 평균값으로 대체하고(S47), 최대값 검출 미분 함수 (
Figure 112013110992606-pat00074
)이 "0"보다 작은 음의 값을 가지는 경우에는 제2 값(b) 값을 제1 값(a)와 제2 값(b)의 평균값으로 대체하고(S49), 그렇지 않은 경우에는 제1 및 제2 값(a,b) 모두의 값을 제1 값(a)와 제2 값(b)의 평균값으로 대체하도록 한다(S410).
그리고 단계 S46 내지 S410을 통해 재설정된 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 설정하도록 한다(S411).
그리고 나서, 제1 값(a)와 제2 값(b)의 차이 절대값이 기 설정된 값(ε) 보다 큰지를 다시 한번 확인한 후, 만약 그렇다면 단계S46으로 재진입하고, 그렇지 안하면 동작 종료하도록 한다(S412). 즉, 제1 값(a)와 제2 값(b)의 차이 절대값이 기 설정된 값(ε) 보다 작아질 때까지 단계 S46 내지 단계 S412를 반복적으로 수행하도록 한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대규모 네트워크를 위한 보안 메시지 송신 장치를 도시한 도면이다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 송신 장치(100)는 보안 전송률 계산부(110), 보안 메시지 전송 비율 계산부(120), 보안 메시지 생성부(130), 인공 잡음 생성부(140), 메시지 제어부(150), 및 통신부(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
보안 전송률 계산부(110)는 송신 장치와 수신 장치간 거리(d)와 수신 장치(Bob)의 디코딩 실패 비율(RT)을 기반으로 통신 두절 확률(Pr[E1|ζ])을, 보안 보호 영역(secrecy protected zone)의 반지름(Rp)과 도청 장치의 보안 메시지 디코딩 비율(RS)을 기반으로 보안 불통 확률(Pr[E2|ζ])을 계산한다. 그리고 이들을 기반으로, 통신 두절과 보안 불통이 동시에 일어나지 않을 보안 전송률(R(ζ))을 계산한다.
보안 메시지 전송 비율 계산부(120)는 보안 전송률(secrecy transmission rate)을 최대화 시키는 최적의 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "
Figure 112013110992606-pat00075
"로 정의하고,
Figure 112013110992606-pat00076
의 부호 체크를 통해 보안 전송률(secrecy transmission rate)을 최대화시킬 수 있는 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하도록 한다.
보안 메시지 생성부(130)는 송신 장치에 전송될 보안 메시지를 생성하고, 인공 잡음 생성부(140)는 도청 장치의 도청을 방지하기 위해 보안 메시지와 함께 전송될 인공 잡음을 생성한다.
메시지 제어부(150)는 보안 메시지 전송 동작이 요청되면, 보안 메시지 전송 비율 계산부(120)에 의해 계산된 보안 메시지의 전송 비율(ζ)에 따라 보안 메시지의 전송 파워와 인공 잡음의 전송 파워를 조정한 후, 보안 메시지에 인공 잡음을 포함시켜 송신 장치에 전송한다.
통신부(160)는 무선 통신망을 통해 메시지 제어부(150)에 의해 생성된 메시지를 송신 장치로 전송해준다.
도5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법의 성능을 나타내는 도면이다.
도5는 간섭 장치들의 파워
Figure 112013110992606-pat00077
와 도청 장치(Eve)의 밀도 λI의 변화에 따른 보안 전송률(secrecy transmission rate)의 변화를 보여준다.
ζ=1일 때의 보안 전송률(secrecy transmission rate)은, 인공 잡음을 사용하지 않을 때에 얻을 수 있는 보안 전송률을 의미한다.
도5를 참고하면, ζ가 1일 때 보다 0.45~0.8일 때의 보안 전송률이 더욱 좋아짐을 알 수 있다. 즉, 송신 장치가 보안 메시지의 전송 파워를 조금 줄이고, 적당한 인공 잡음을 사용하는 경우, 보안 전송률이 크게 향상됨을 알 수 있다. 따라서 보안 전송률은 파워 비율을 얼마만큼 사용하는 지에 관계가 있고 (즉, 인공 잡음을 얼마나 사용하는지에 따라), 그 값을 최대화 시키는 최적의 파워 비율(ζ)이 존재하는 것을 알 수 있다.
도6은 RP와 λE의 변화에 따른 최적의 파워 비율을 도시한 도면으로, 이를 참고하면 RP와 λE의 변화에 의해 보안 전송률이 영향을 받으며, 이에 따라 파워 비율 역시 변화됨을 알 수 있다. 이에 본 발명에서는 이와 같은 여러 가지 시스템 파라미터들에 고려하여, 최적의 파워 비율을 정확히 찾을 수 있도록 하는 것이다.
이상에서 전술한 바와 같은 이를 구현하기 위한 프로그램 명령어로서 구현될 수 있으며, 이러한 프로그램 명령어를 기록한 컴퓨터로 읽힐 수 있는 기록매체는, 일 예로, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 미디어 저장장치 등이 있다.
또한 전술한 바와 같은 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽힐 수 있는 기록매체는 네트워크로 커넥션된 컴퓨터 장치에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 이 경우, 다수의 분산된 컴퓨터 중 어느 하나 이상의 컴퓨터는 상기에 제시된 기능들 중 일부를 실행하고, 그 결과를 다른 분산된 컴퓨터들 중 하나 이상에 그 실행 결과를 전송할 수 있으며, 그 결과를 전송받은 컴퓨터 역시 상기에 제시된 기능들 중 일부를 실행하여, 그 결과를 역시 다른 분산된 컴퓨터들에 제공할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 따른 물리계층에서의 메시지 보안 방법을 구동시키기 위한 프로그램인 애플리케이션을 기록한 기록매체를 읽을 수 있는 컴퓨터는, 일반적인 데스크 탑이나 노트북 등의 일반 PC뿐 만 아니라, 스마트 폰, 태블릿 PC, PDA(Personal Digital Assistants) 및 이동통신 단말 등의 모바일 단말을 포함할 수 있으며, 이뿐만 아니라, 컴퓨팅(Computing) 가능한 모든 기기로 해석되어야 할 것이다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 송신 장치와 수신 장치간 거리가 d인 상태에서 상기 수신 장치가 기 설정된 비율의 보안 메시지를 디코딩하지 못할 때 발생하는 통신 두절 확률을 계산하는 단계;
    상기 송신 장치가 보안 보호 영역을 형성하고 있을 때, 적어도 하나의 도청 장치가 상기 보안 메시지의 일부를 디코딩할 때 발생하는 보안 불통 확률을 계산하는 단계;
    상기 통신 두절 확률과 상기 보안 불통 확률을 기반으로 보안 전송률을 계산하는 단계; 및
    보안 메시지의 전송률을 "
    Figure 112013110992606-pat00078
    "로 정의하고, 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00079
    )의 부호 체크를 통해 상기 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 단계를 포함하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통신 두절 확률을 계산하는 단계는
    Figure 112013110992606-pat00080
    의 식에 따라 상기 통신 두절 확률을 계산하며,
    상기
    Figure 112013110992606-pat00081
    는 수신 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기 βT는
    Figure 112013110992606-pat00082
    이고, 상기 RT는 송신 장치가 전송한 메시지 용량, 상기 ΦI는 간섭 노드들의 위치 집합, 상기 λI는 간섭 노드들의 밀도, 상기 d는 송신 장치와 수신 장치의 거리, 상기 Pi는 i번째 간섭 노드의 파워, 상기
    Figure 112013110992606-pat00083
    는
    Figure 112013110992606-pat00084
    , 상기 α는 경로 손실 지수승을 의미하는 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보안 불통 확률을 계산하는 단계는
    Figure 112013110992606-pat00085
    의 식에 따라 상기 보안 불통 확률을 계산하며,
    상기
    Figure 112013110992606-pat00086
    는 k번째 도청 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기 βE는
    Figure 112013110992606-pat00087
    , 상기 RE는 도청 장치의 채널 용량, 상기 ΦE는 도청 장치들의 위치 집합, 상기 λE는 도청 장치들의 밀도, 상기 P0는 송신 장치의 전송 파워, 상기 r은 전체의 2 차원 면적을 극좌표계로 바꾸어서 적분할때의 적분 반지름을 각각 의미하는 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보안 전송률을 계산하는 단계는
    Figure 112013110992606-pat00088
    의 식에 따라 상기 보안 전송률을 계산하며,
    상기 Rp는 보안 보호 영역의 반지름인 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 단계는
    상기 메시지의 전송 비율을 "
    Figure 112013110992606-pat00089
    "로 정의하고,
    Figure 112013110992606-pat00090
    로 설정된 제1 값(a)와 1로 설정된 제2 값(b)를 생성하는 단계;
    최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00091
    )의 값을 확인한 후, "0"보다 크면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "1"로 선택한 후 동작 종료하고, 그렇지 않으면 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 큰지를 확인하는 단계;
    상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 크다면, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아질 때까지 반복적으로 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00092
    )의 부호에 따라 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아지면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 동작 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 단계는
    상기 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00093
    )의 부호가 양의 값을 가지면 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 음의 값을 가지면 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 그렇지 않으면 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보안 메시지의 전송 비율에 따라 보안 메시지의 전송 파워 비율과 인공 잡음의 전송 파워 비율을 조정한 후, 상기 보안 메시지에 상기 인공 잡음을 포함시켜 상기 송신 장치에 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물리계층에서의 메시지 보안 방법.
  8. 송신 장치와 수신 장치간 거리와 수신 장치의 디코딩 실패 비율을 기반으로 통신 두절 확률을, 보안 보호 영역의 반지름과 도청 장치의 보안 메시지 디코딩 비율을 기반으로 보안 불통 확률을 계산한 후, 상기 통신 두절 확률과 상기 보안 불통 확률을 기반으로 보안 전송률을 계산하는 보안 전송률 계산부;
    상기 보안 전송률을 최대화 시키는 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "
    Figure 112013110992606-pat00094
    "로 정의하고, 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00095
    )의 부호 체크를 통해 상기 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 획득하는 보안 메시지 전송 비율 계산부; 및
    상기 보안 메시지의 전송 비율에 따라 보안 메시지의 전송 파워 비율과 인공 잡음의 전송 파워 비율을 조정한 후, 상기 보안 메시지에 상기 인공 잡음을 포함시켜 상기 송신 장치에 전송하는 메시지 제어부를 포함하는 보안 메시지 송신 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보안 전송률 계산부는
    상기 통신 두절 확률을
    Figure 112013110992606-pat00096
    의 식에 따라 계산하고,
    상기 보안 불통 확률을
    Figure 112013110992606-pat00097
    의 식에 따라 계산하고,
    상기 보안 전송률을
    Figure 112013110992606-pat00098
    의 식에 따라 계산하며,
    상기
    Figure 112013110992606-pat00099
    는 수신 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기
    Figure 112013110992606-pat00100
    는
    Figure 112013110992606-pat00101
    , 상기 RT는 송신 장치가 전송한 메시지 용량, 상기 ΦI는 간섭 노드들의 위치 집합, 상기 λI는 간섭 노드들의 밀도, 상기 d는 송신 장치와 수신 장치의 거리, 상기 Pi는 i번째 간섭 노드의 파워, 상기
    Figure 112013110992606-pat00102
    Figure 112013110992606-pat00103
    는
    Figure 112013110992606-pat00104
    , 상기 α는 경로 손실 지수승, 상기
    Figure 112013110992606-pat00105
    는 k번째 도청 장치에서의 수신 SINR(Signal and interference to noise ratio), 상기
    Figure 112013110992606-pat00106
    는
    Figure 112013110992606-pat00107
    , 상기 RE는 도청 장치의 채널 용량, 상기 ΦE는 도청 장치들의 위치 집합, 상기 λE는 도청 장치들의 밀도, 상기 P0는 송신 장치의 전송 파워, 상기 Rp는 보안 보호 영역의 반지름을 각각 의미하는 것을 특징으로 하는 보안 메시지 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 보안 메시지 전송 비율 계산부는
    Figure 112013110992606-pat00108
    로 설정된 제1 값(a)와 1로 설정된 제2 값(b)를 생성하는 과정,
    최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00109
    )의 값을 확인한 후, "0"보다 크면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 "1"로 선택한 후 동작 종료하고, 그렇지 않으면 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 큰지를 확인하는 과정,
    상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 크다면, 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아질 때까지 반복적으로 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00110
    )의 부호에 따라 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하거나, 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 과정,
    상기 제1 및 제2 값(a,b)의 차이 절대값이 기 설정된 값 보다 작아지면, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 설정한 후 동작 종료하는 과정을 거쳐, 상기 보안 메시지의 전송 비율(ζ)을 계산하는 것을 특징으로 하는 보안 메시지 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보안 메시지 전송 비율 계산부는
    상기 최대값 검출 미분 함수(
    Figure 112013110992606-pat00111
    )의 부호가 양의 값을 가지면 상기 제1 값(a)을 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 음의 값을 가지면 상기 제2 값(b)을 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하고, 그렇지 않으면 상기 제1 및 제2 값(a,b) 모두를 상기 제1 및 제2 값(a,b)의 평균값으로 대체하는 것을 특징으로 하는 보안 메시지 송신 장치.
KR1020130149798A 2013-12-04 2013-12-04 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치 KR101437296B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130149798A KR101437296B1 (ko) 2013-12-04 2013-12-04 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130149798A KR101437296B1 (ko) 2013-12-04 2013-12-04 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101437296B1 true KR101437296B1 (ko) 2014-09-02

Family

ID=51759228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130149798A KR101437296B1 (ko) 2013-12-04 2013-12-04 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101437296B1 (ko)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101609957B1 (ko) 2014-12-22 2016-04-06 인하대학교 산학협력단 다중 안테나 시스템의 보안 통신을 위한 방법 및 장치
KR101625795B1 (ko) * 2015-04-09 2016-05-31 한국과학기술원 능동적인 도청자를 대비한 인공 잡음 및 보안보호구역을 활용한 보안 향상 방법 및 시스템
CN107995615A (zh) * 2017-11-15 2018-05-04 中国人民解放军信息工程大学 异构网noma物理层安全传输方法
CN108366026A (zh) * 2018-03-16 2018-08-03 西安电子科技大学 基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法
CN108964782A (zh) * 2018-07-31 2018-12-07 深圳大学 一种自由空间光网络的物理层安全增强方法
CN109861783A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 哈尔滨工业大学 一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法
KR102075123B1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-07 인천대학교 산학협력단 도청 노드에 의한 도청을 회피하기 위한 암호화율을 결정하는 협력 전송 시스템 및 이의 동작 방법
KR102064825B1 (ko) * 2018-08-23 2020-03-02 인천대학교 산학협력단 3차원 공간에서 이동 중인 협력 노드를 선택하여 수신 노드로의 협력 전송을 수행하는 시스템 및 이의 동작 방법
US10819463B2 (en) 2018-10-18 2020-10-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Wireless communication with modulation and demodulation set based on channel information
KR102224645B1 (ko) * 2020-10-19 2021-03-08 국방과학연구소 다중 사용자 환경의 통신 시스템, 기지국의 신호 전송 방법 및 사용자 장치의 신호 수신 방법
WO2022092367A1 (ko) * 2020-10-29 2022-05-05 한밭대학교 산학협력단 사용자 중심 다중 접속 통신 시스템 및 방법
KR102418647B1 (ko) * 2021-07-06 2022-07-07 안나영 자율 주행 차량의 교통 정보 공유 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009061660A1 (en) 2007-11-05 2009-05-14 Ntt Docomo Inc. Method and system of threshold selection for reliable relay stations grouping for downlink transmission
KR20130055775A (ko) * 2011-11-21 2013-05-29 한국과학기술원 도청자의 평균 모호도 산출 방법, 보안 메시지 전송 방법 및 시스템
KR20130102758A (ko) * 2012-03-08 2013-09-23 경희대학교 산학협력단 무선 환경에서 보안 전송 방법 및 이를 구비한 송신장치
KR20130113432A (ko) * 2010-08-10 2013-10-15 엘지전자 주식회사 중계기 지원 무선 통신 시스템에서 데이터 송수신 방법 및 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009061660A1 (en) 2007-11-05 2009-05-14 Ntt Docomo Inc. Method and system of threshold selection for reliable relay stations grouping for downlink transmission
KR20130113432A (ko) * 2010-08-10 2013-10-15 엘지전자 주식회사 중계기 지원 무선 통신 시스템에서 데이터 송수신 방법 및 장치
KR20130055775A (ko) * 2011-11-21 2013-05-29 한국과학기술원 도청자의 평균 모호도 산출 방법, 보안 메시지 전송 방법 및 시스템
KR20130102758A (ko) * 2012-03-08 2013-09-23 경희대학교 산학협력단 무선 환경에서 보안 전송 방법 및 이를 구비한 송신장치

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101609957B1 (ko) 2014-12-22 2016-04-06 인하대학교 산학협력단 다중 안테나 시스템의 보안 통신을 위한 방법 및 장치
KR101625795B1 (ko) * 2015-04-09 2016-05-31 한국과학기술원 능동적인 도청자를 대비한 인공 잡음 및 보안보호구역을 활용한 보안 향상 방법 및 시스템
CN107995615B (zh) * 2017-11-15 2020-08-18 中国人民解放军信息工程大学 异构网noma物理层安全传输方法
CN107995615A (zh) * 2017-11-15 2018-05-04 中国人民解放军信息工程大学 异构网noma物理层安全传输方法
CN108366026A (zh) * 2018-03-16 2018-08-03 西安电子科技大学 基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法
CN108366026B (zh) * 2018-03-16 2020-04-07 西安电子科技大学 基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法
CN108964782A (zh) * 2018-07-31 2018-12-07 深圳大学 一种自由空间光网络的物理层安全增强方法
KR102075123B1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-07 인천대학교 산학협력단 도청 노드에 의한 도청을 회피하기 위한 암호화율을 결정하는 협력 전송 시스템 및 이의 동작 방법
KR102064825B1 (ko) * 2018-08-23 2020-03-02 인천대학교 산학협력단 3차원 공간에서 이동 중인 협력 노드를 선택하여 수신 노드로의 협력 전송을 수행하는 시스템 및 이의 동작 방법
US10819463B2 (en) 2018-10-18 2020-10-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Wireless communication with modulation and demodulation set based on channel information
CN109861783A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 哈尔滨工业大学 一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法
CN109861783B (zh) * 2019-03-26 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法
KR102224645B1 (ko) * 2020-10-19 2021-03-08 국방과학연구소 다중 사용자 환경의 통신 시스템, 기지국의 신호 전송 방법 및 사용자 장치의 신호 수신 방법
WO2022092367A1 (ko) * 2020-10-29 2022-05-05 한밭대학교 산학협력단 사용자 중심 다중 접속 통신 시스템 및 방법
KR102418647B1 (ko) * 2021-07-06 2022-07-07 안나영 자율 주행 차량의 교통 정보 공유 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101437296B1 (ko) 물리계층에서의 메시지 보안 방법 및 이를 이용하는 보안 메시지 송신 장치
Zheng et al. Multi-antenna covert communications in random wireless networks
Yan et al. Low probability of detection communication: Opportunities and challenges
Chen et al. Physical layer security for ultra-reliable and low-latency communications
Jamali et al. Symbol synchronization for diffusion-based molecular communications
Venu et al. Review of Internet of Things (IoT) for Future Generation Wireless Communications
Zhou et al. Secret key generation in the two-way relay channel with active attackers
Elsayed et al. When NOMA multiplexing meets symbiotic ambient backscatter communication: Outage analysis
Hu et al. Covert communications without channel state information at receiver in IoT systems
US8522029B2 (en) Secret-key exchange for wireless and sensor networks
CN103997736B (zh) 无线通信系统中用于检测窃听者的方法
Chorti et al. Physical layer security: a paradigm shift in data confidentiality
US20200169882A1 (en) Security Detection for a Physical Layer Authentication System that Considers Signal-Discriminating Capability of an Active Adversary
Shen et al. Transmission protocol for secure big data in two-hop wireless networks with cooperative jamming
Osorio et al. Safeguarding MTC at the physical layer: Potentials and challenges
CN111555836A (zh) 一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法
KR101625795B1 (ko) 능동적인 도청자를 대비한 인공 잡음 및 보안보호구역을 활용한 보안 향상 방법 및 시스템
Hu et al. Tangible security: Survey of methods supporting secure ad-hoc connects of edge devices with physical context
CN114615672B (zh) 一种基于统计信息的协作物理层安全增强方法
Li et al. Secure communications via sending artificial noise by both transmitter and receiver: optimum power allocation to minimise the insecure region
Tao et al. On secrecy outage probability and average secrecy rate of large-scale cellular networks
Zhang et al. Analysis of the physical layer security enhancing of wireless communication system under the random mobile
Chae et al. Optimal power allocation for artificial noise in a Poisson interference field
Moriyama et al. Controlling of communication connection range using acoustic waves emitted from smartphones
CN111163464A (zh) 一种抗随机窃听的多业务传输功率分配方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180725

Year of fee payment: 5