KR101629108B1 - 협력 전송을 위한 전파 방해 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신하고, 시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하고, 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, MM(Minorization-Maximization) 알고리즘을 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과, 최적의 시간 전환 비율로 확인하고, 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하여 협력 전송을 하는 전파 방해 장치에 관한 것이다.

Description

협력 전송을 위한 전파 방해 장치 및 방법{Cooperative Jammer Apparatus and Method for joint transceiver}
본 발명은 전파를 이용하는 에너지 하베스팅을 고려한 무선 이동 통신망에서 기지국과 사용자의 신호 전송의 보안을 강화하기 위해 수신 장치의 구조를 고려해서 협력 전송을 지원하는 전파 방해 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting, EH) 기술은 전력 공급이 제한된 기기에 주위 환경에 존재하는 태양광, 열, 진동, 바람, 전자기파 등 과 같은 다양한 에너지 원으로부터 전력을 공급받는 것을 말한다. 에너지 하베스팅은 전력원의 변경이나 추가적인 연결 없이 전력공급이 어려운 재난, 전쟁 상황 및 건물이나 신체 안에 삽입되는 센서 및 기기와 같이 같이 전력원의 구성이 어려운 시스템 등 다양한 분야에서 지속적인 전력 공급을 위해 사용할 수 있다.
특히 무선 통신에서는 단말기에서 요구되는 데이터의 량과 기기의 복잡도가 증가하고, 단말기의 용도가 다양해짐에 따라서 전력의 소모가 매우 커짐에 따라서 이러한 전력 소모를 충당하기 위해서 전자기파를 이용한 에너지 하베스팅이 주목을 받고 있다.
마찬가지로 수많은 저전력 소형 센서들로 구성된 센서 네트워크의 경우 각각의 센서마다 지속적으로 전력을 제공하는 독립적인 전력원을 구성하기 매우 어렵기 때문에 이와 같이 전력공급이 제한된 무선 통신 시스템에서 지속적인 전력을 공급하기 위해 전자기파를 이용한 에너지 하베스팅 기법이 주목 받고 있다.
또한 수신 장치에서 송신 장치로의 신호의 송신 또한 전자기파를 통해 이루어지기 때문에 신호의 송수신과 에너지 하베스팅을 동시에 수행하는 SWIPT(simultaneous wireless information and power transfer) 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. SWIPT 시스템의 수신 장치의 경우 개개의 수신 장치가 각각 에너지 하베스팅과 신호의 수신(information decoding, ID)을 따로 수행하는 경우 (separated EH receiver and ID receiver)와 수신 받은 신호의 파워를 나누거나 사용하는 시간을 나누어 하나의 수신 장치에서 에너지 하베스팅과 신호의 수신을 동시에 수행하는 (co-located EH and ID receiver) 두 가지 경우로 나눌 수 있다.
이러한 SWIPT 시스템의 경우 신호의 송신과 에너지 하베스팅을 동시에 수행하기 때문에 도청 장치가 존재하는 경우 보안이 약화되는 문제점이 발생하게 된다. 이는 전력을 공급받고자 하는 수신 장치에서 에너지 하베스팅을 통해 요구되는 전력의 양을 만족 시키기 위해서는 수신 장치에서 기존의 신호의 송수신만 고려한 무선 통신 시스템의 송신 파워보다 더 높은 전력으로 RF (radio frequency) 신호를 발생해야 하기 때문이다.
에너지 하베스팅 회로를 통해서 RF 신호를 전기에너지로 변환하는 효율은 아직 낮은 수준이며 따라서 예를 들면 기존의 신호만 수신하는 수신 장치에서 QoS (Quality of service)를 만족하기 위해 요구하는 수신 받은 신호의 세기가 -50dBm 정도라면 에너지 하베스팅을 수행하는 수신 장치에서 -10dBm정도의 높은 파워를 요구하게 된다.
따라서 전자기파를 이용한 에너지 하베스팅을 고려한 무선 통신 시스템의 경우 송신 장치는 에너지 하베스팅을 수행하는 수신 장치를 만족하기 위해 더 높은 파워로 신호를 보내게 되고, 도청 장치가 존재하는 경우 기존의 무선 통신 시스템보다 더 도청이 용이하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 전력 공급을 위해 전자기파를 이용한 에너지 하베스팅을 고려한 무선 통신 시스템의 보안상의 단점을 보완하기 위해 물리 계층 측면에서의 보안 강화 기술을 적용할 수 있다. 기존의 네트워크 계층의 암호화를 이용한 보안 기술의 경우 기본적으로 도청 장치가 수신 장치로 전송하는 데이터를 받았다는 것을 가정하고 있으며, 이는 도청 장치의 기술적인 수준이 매우 높거나 암호화의 수준이 낮은 경우 충분히 암호화 된 정보를 해독하여 정보가 유출 될 수 있다.
물리 계층 측면에서의 보안 기술 (physical-layer secrecy)의 경우 다중안테나의 빔포밍 기술을 통한 인공적인 잡음 (artificial noise) 혹은 간섭신호 (interference) 생성을 통해 도청 장치가 수신 장치로 전송되는 기밀 정보를 제대로 수신 받지 못하도록, 근본적으로 차단하고자 하는 것이다. 이러한 관점에서 정보이론에 기반하여 도청 장치가 존재하는 시스템에서 수신 장치가 송신 장치에게 도청당하지 않고 안정적으로 보낼 수 있는 전송량을 보안용량(secrecy rate)으로 정의 하며 아래 <수학식 1>과 같이 수신 장치의 전송량과 도청 장치의 전송량의 차이로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014127403837-pat00001

여기서,
Figure 112014127403837-pat00002
는 보정용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00003
는 송신 장치와 수신 장치의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00004
는 송신 장치와 도청 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00005
는 송신 장치의 송신파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00006
는 수신 장치에서의 잡음의 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00007
는 도청 장치에서의 잡음의 파워를 나타낸다.
보안용량은 수신 장치와 도청 장치의 전송량의 차이이며 채널에 따라 도청 장치의 채널이 수신 장치의 채널보다 더 좋은 경우는 보안용량이 0이 되는 경우가 발생한다. 따라서 수신 장치에서 안정적인 보안용량을 유지하기 위해 멀티안테나를 통해 빔포밍을 수행하는 방법이 있으나 수신 장치와 송신 장치의 채널이 매우 큰 페이딩을 겪는 경우 (deep fading) 수신 장치의 멀티안테나를 이용한 빔포밍 만으로는 보안용량을 증가시킬 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 협력 전송을 위한 전파 방해 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 전파를 이용하는 에너지 하베스팅을 고려한 무선 이동 통신망에서 기지국과 사용자의 신호 전송의 보안을 강화하기 위해 수신 장치의 구조를 고려해서 협력 전송을 지원하는 전파 방해 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 송신 장치와 수신 장치 외에 별도의 전파 방해 장치를 도입하여 다중 안테나를 기반으로 하여 도청 장치로 간섭신호를 발생시켜 보안성을 강화하는 협력 전송 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 하베스팅과 신호 수신을 동시에 하는 수신 장치로의 보안용량을 최대로 하는 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 시간 전환 비율을 찾는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 하베스팅과 신호 수신을 동시에 하는 수신 장치로의 보안용량을 최대로 하는 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 파워 분배 비율을 찾는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신하는 단계; 시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 단계; 상기 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 단계; 및 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 상기 보안용량을 계산하는 데 필요한 정보는, 상기 송신 장치의 송신파워, 상기 수신 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보, 상기 수신 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보, 상기 도청 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보 및 상기 도청 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보를 포함할 수 있다.
이때, 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율을 확인하는 단계는, 오목함수들의 차이로 표현되는 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하는 단계; 0에서 1사이의 값을 가지는 상기 시간 전환 비율을 기설정한 구간으로 구분하고, 상기 시간 전환 비율을 상기 구간 단위로 증가시키면서, 상기 각 구간별로 상기 보안용량이 최대가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬을 확인하는 단계; 상기 시간 전환 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 빔포밍 공분산 행렬을 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인하는 단계; 및 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인된 시점의 시간 전환 비율을 상기 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하는 단계는, 옌센 부등식(Jensen's inequality), 슈바르츠의 부등식(Schwarz? inequality) 또는 받침 초평면(Supporting hyperplane) 중에서 하나를 이용해서 상기 보안용량에 포함된 상기 오목함수들 중에서 하나를 선형화(linearization)하여 상기 선형함수로 변환할 수 있다.
이때, 상기 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계는, 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고, 상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 이면 상기 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정하고, 상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 아니면 상기 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 상기 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법은 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신하는 단계; 파워 분배 비율(power splitting ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 단계; 상기 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하하엿, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율로 확인하는 단계; 및 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 협력 전송을 위한 전파 방해 장치는 다중 안테나를 통해 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치와 통신하여 데이터를 송수신 하는 통신부; 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 수집부; 시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 설정부; 상기 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 최적화부; 및 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 빔포밍 벡터 계산부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 협력 전송을 위한 전파 방해 장치는 다중 안테나를 통해 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치와 통신하여 데이터를 송수신 하는 상기 통신부; 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 수집부; 파워 분배 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 설정부; 상기 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율로 확인하는 최적화부; 및 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 빔포밍 벡터 계산부를 포함한다.
본 발명은 전력 공급이 제한된 수신 장치에서 에너지 하베스팅과 신호의 수신을 동시에 수신하는 SWIPT 시스템에서 도청 장치가 존재할 때 전파 방해 장치를 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량을 만족시키고 보안용량을 최대화 하기 위한 협력 전송 기법에 관한 것으로, 본 발명은 보안용량을 최대화하는 전파 방해 장치의 최적의 빔포밍 벡터와 수신 장치의 시간 전환 비율(또는 파워 분배 비율)을 찾을 수 있다. 또한, 본 발명은 전파 방해 장치가 수신 장치에서 수행할 빔포밍을 대신 수행하기 때문에 수신 장치의 복잡도와 부하를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 협력 통신을 하는 통신 시스템의 개략적의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅과 신호의 수신을 동시에 수행하는 수신 장치에서 시간 전환 기법과 파워 분배 기법을 사용하는 경우의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 협력 전송을 위한 전파 방해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 협력 전송을 위해 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 시간 전환 비율을 찾는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율을 구하기 위해서 수행하는 MM알고리즘의 처리 동작을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 협력 전송을 위해 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 파워 분배 비율을 찾는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율을 구하기 위해서 수행하는 MM알고리즘의 처리 동작을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 표 1의 알고리즘을 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량에 따라 계산된 보안용량을 신호대 잡음비에 대해 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 표 2의 알고리즘을 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량에 따라 계산된 보안용량을 신호대 잡음비에 대해 도시한 그래프이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 전송을 위한 전파 방해 장치 및 방법을 첨부된 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 협력 통신을 하는 통신 시스템의 개략적의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템은 전력 공급이 제한된 수신 장치(130)와 수신 장치(130)에 보안이 요구되는 정보를 전송하고자 하는 송신 장치(120), 이를 도청하고자 하는 도청 장치(140), 도청 장치(140)의 도청을 방해하는 전파 방해 장치(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 도 1에서 송신 장치(120)와 수신 장치(130), 도청 장치(140)는 단일 안테나를 가지고 있으며 전파 방해 장치의 경우 다중 안테나를 가지고 있으며 이를 이용하여 빔포밍을 수행하여 도청 장치(140)에게 간섭신호를 발생시켜 도청을 방해한다. 또한 수신 장치(130)와 도청 장치(140)가 받는 신호는 아래 <수학식 2>와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014127403837-pat00008
여기서,
Figure 112014127403837-pat00009
는 수신 장치(130)가 받는 수신 신호를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00010
는 도청 장치(140)가 받는 수신 신호를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00011
는 송신 장치(120)에서 송신하는 신호를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00012
는 전파 방해 장치(110)에서 송신하는 신호를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00013
는 송신 장치(120)와 수신 장치(130) 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00014
는 송신 장치(120)와 도청 장치(140) 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00015
는 전파 방해 장치(110)와 수신 장치(130) 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00016
는 전파 방해 장치(110)와 도청 장치(140) 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00017
는 전파 방해 장치(110)에서 설계된 빔포밍 벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00018
는 수신 장치(130)에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00019
는 도청 장치(140)에서의 잡음을 나타낸다.
수신 장치(130)는 전력공급이 제한되어 있기 때문에 에너지 하베스팅과 신호 수신을 동시에 수행하며 이러한 수신 장치(130)를 co-located EH and ID receiver라고 지칭할 수 있다.
수신 장치(130)는 에너지 하베스팅과 신호 수신을 동시에 수신하기 위해서 수신 받은 신호를 각각 나눠 사용하는 파워 분배 기법(power splitting)과 시간 별로 나눠서 사용하는 시간 전환 기법(time switching)을 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅과 신호의 수신을 동시에 수행하는 수신 장치에서 시간 전환 기법과 파워 분배 기법을 사용하는 경우의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2 (a)는 파워 분배 기법(power splitting)이 적용된 수신 장치(130)를 나타내고, 도 2 (b)는 시간 전환 기법(time switching)이 적용된 수신 장치(130)를 나타낸다.
먼저, 시간 전환 기법의 경우, 수신 장치(130)는 스위치(260), 에너지 하베스팅 처리부(270) 및 정보 디코딩부(280)를 포함한다.
수신 장치(130)의 스위치(260)는 안테나를 통해 수신되는 신호를 시간 전환 비율(time switching ratio)(
Figure 112014127403837-pat00020
, (0 =
Figure 112014127403837-pat00021
= 1))에 따라서 에너지 하베스팅 처리부(270)로 연결하거나 정보 디코딩부(280)로 연결한다.
즉, 시간 전환 기법의 경우, 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00022
)에 따라 시간을 나누어 사용하는 것으로, 전체 시간 중
Figure 112014127403837-pat00023
동안은 정보 디코딩부(280)에서 처리해서 데이터를 수신 받고, 나머지 1-
Figure 112014127403837-pat00024
동안에는 에너지 하베스팅 처리부(270)에서 에너지 하베스팅을 수행한다. 이때, 수신 장치(130)에서 얻게 되는 보안용량은 아래 <수학식 3>와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014127403837-pat00025
여기서,
Figure 112014127403837-pat00026
는 전파 방해 장치에서 설계된 빔포밍 벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00027
는 시간 전환 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00028
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00029
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00030
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00031
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00032
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00033
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00034
는 송신 장치와 도청 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00035
는 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00036
는 전파 방해 장치와 도청 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00037
는 수신 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00038
는 도청 장치에서의 잡음 파워를 나타낸다.
전파 방해 장치(110)는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00039
)를 통해 수신 장치(130) 와의 채널(
Figure 112014127403837-pat00040
)과 도청 장치(140)와의 채널(
Figure 112014127403837-pat00041
)를 고려하여 수신 장치(130)로는 간섭이 적게 미치도록 하고, 도청 장치(140)로는 큰 간섭이 미치도록 디자인할 경우 보안용량을 증가시킬 수 있다.
나머지 1 -
Figure 112014127403837-pat00042
시간 동안 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지는 아래 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112014127403837-pat00043
여기서,
Figure 112014127403837-pat00044
는 전파 방해 장치에서 설계된 빔포밍 벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00045
는 시간 전환 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00046
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00047
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00048
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00049
는 수신 받은 RF 신호에서 저장 가능한 전력 에너지로 변환하면서 발생하는 손실에 따른 에너지 하베스팅의 효율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00050
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00051
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00052
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00053
는 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타낸다.
이때, 잡음의 경우는 수신 받는 신호에 비해 크기가 매우 작기 때문에 잡음을 통한 에너지 하베스팅은 무시한다.
파워 분배 기법의 경우, 수신 장치(130)는 가산기(210, 230), 분배기(220), 에너지 하베스팅 처리부(240) 및 정보 디코딩부(250)를 포함한다.
수신 장치(130)의 분배기(220)는 안테나를 통해 수신되는 신호를 파워 분배 비율(power splitting ratio)(
Figure 112014127403837-pat00054
, (0 =
Figure 112014127403837-pat00055
= 1))에 따라서 에너지 하베스팅 처리부(240)와 정보 디코딩부(250)로 신호를 분배한다.
즉, 파워 분배 기법의 경우, 파워 분배 비율(
Figure 112014127403837-pat00056
)에 따라 수신 받은 신호의 파워를 나눠서 쓰는 것으로 전체 파워 중
Figure 112014127403837-pat00057
는 정보 디코딩부(250)에서 신호를 수신 받고 복원하는데 사용되고, 나머지 1 -
Figure 112014127403837-pat00058
는 에너지 하베스팅 처리부(240)에서 에너지 하베스팅을 수행하는데 사용된다. 이때, 수신 장치(130)에서 얻게 되는 보안용량은 아래 <수학식 5>와 같이 표현 될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014127403837-pat00059
여기서,
Figure 112014127403837-pat00060
는 전파 방해 장치에서 설계된 빔포밍 벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00061
는 파워 분배 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00062
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00063
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00064
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00065
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00066
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00067
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00068
는 송신 장치와 도청 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00069
는 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00070
는 전파 방해 장치와 도청 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00071
는 안테나에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00072
는 신호 처리 부분에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00073
는 도청 장치에서의 잡음 파워를 나타낸다.
두개의 잡음(
Figure 112014127403837-pat00074
,
Figure 112014127403837-pat00075
)은 시간 전환의 잡음과 관련하여 아래 <수학식 6>과 같은 관계를 갖는다.
[수학식6]
Figure 112014127403837-pat00076
여기서,
Figure 112014127403837-pat00077
는 안테나에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00078
는 신호 처리 부분에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00079
는 수신 장치에서의 잡음 파워를 나타낸다.
마찬가지로 파워 분배 기법에서 에너지 하베스팅을 통해 얻은 에너지는 아래 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112014127403837-pat00080
여기서,
Figure 112014127403837-pat00081
는 전파 방해 장치에서 설계된 빔포밍 벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00082
는 파워 분배 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00083
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00084
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00085
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00086
는 수신 받은 RF 신호에서 저장 가능한 전력 에너지로 변환하면서 발생하는 손실에 따른 에너지 하베스팅의 효율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00087
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00088
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00089
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00090
는 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타낸다.
본 발명은 전파 방해 장치(110)를 통해서 수신 장치(130)가 요구하는 전력량을 만족하면 최대의 보안용량을 제공하기 위한 협력 전송 기법에 관한 것으로, 아래 <수학식 8>은 시간 전환 기법에 대한 보안용량을 최대로 하는 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00091
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00092
)을 찾는 최적화 문제를 나타내고, <수학식 9>는 마찬가지로 파워 분배 기법에 대한 보안용량을 최대로 하는 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00093
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00094
)을 찾는 최적화 문제를 나타낸다.
[수학식 8]
Figure 112014127403837-pat00095
여기서,
Figure 112014127403837-pat00096
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00097
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00098
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00099
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00100
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00101
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00102
는 수신 장치에서 필요로 하는 최소의 에너지를 나타낸다.
[수학식 9]
Figure 112014127403837-pat00103
여기서,
Figure 112014127403837-pat00104
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00105
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00106
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00107
는 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00108
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00109
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00110
는 수신 장치에서 필요로 하는 최소의 에너지를 나타낸다.
최적화 문제를 풀기 위해 빔포밍 공분산(covariance) 행렬을
Figure 112014127403837-pat00111
로 정의하면 <수학식 8>과 <수학식 9>를 다음 <수학식 10>과 <수학식 11>로 다시 표현할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112014127403837-pat00112
여기서,
Figure 112014127403837-pat00113
는 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00114
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00115
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00116
는 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00117
)와 시간 전환 비율(
Figure 112014127403837-pat00118
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00119
는 수신 장치에서 필요로 하는 최소의 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00120
는 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00121
)의 대각합 (trace)로 송신파워가 일정하다는 가정에 따라 <수학식8>에서 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00122
)의 크기가 1보다 작거나 같게 하도록 파워를 정규화(normalization)하는 제한 조건에 대한 동등한 표현을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00123
는 행렬 계수 제약을 나타낸다.
[수학식 11]
Figure 112014127403837-pat00124
여기서,
Figure 112014127403837-pat00125
는 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00126
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00127
)이 적용될 때의 보안용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00128
는 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00129
)와 파워 분배 비율 비율(
Figure 112014127403837-pat00130
)이 적용될 때의 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00131
는 수신 장치에서 필요로 하는 최소의 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00132
는 마찬가지로 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00133
)의 대각합 (trace)로 송신파워가 일정하다는 가정에 <수학식9>에서 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00134
)의 크기가 1보다 작거나 같게 하도록 파워를 정규화(normalization)하는 제한 조건에 대한 동등한 표현이며,
Figure 112014127403837-pat00135
는 행렬 계수 제약을 나타낸다.
<수학식 10>과 <수학식 11>에서 목적(objective) 함수(
Figure 112014127403837-pat00136
,
Figure 112014127403837-pat00137
)는 오목함수(concave function)들의 차로 이루어진 함수(difference-of-convex)로 볼록(convex)함수 꼴이 아니다. 또한 행렬 계수 제약(rank constraint)(
Figure 112014127403837-pat00138
) 역시 비-볼록성(non-convexity)인 부분이기 때문에 볼록성 문제(convex problem)의 해결을 통해 최적화 문제를 풀 수 없다.
따라서 <수학식 10>과 <수학식 11>을 볼록(convex)꼴로 바꾸는 과정이 필요하다. 목적 함수의 오목함수들의 차로 이루어진 함수를 볼록(convex)꼴로 바꾸어 최적값을 찾기 위해 MM(Minorization-Maximization) 알고리즘을 적용한다.
이때, 받침 초평면(Supporting hyperplane)을 이용하여 목적 함수에 포함된 오목함수 중 하나를 선형화(linearization)하여 볼록(convex)꼴로 변경할 수 있다.
또한, 파워 분배 기법과 시간 전환 기법에서의 비율(ratio)도 같이 고려해야 한다. 파워 분배 비율과 시간 전환 비율은 0에서 1사이의 닫힌 구간(closed-interval)을 갖는 값이기 때문에 직선탐색법(line search)을 사용하여 최적의 비율값을 찾을 수 있다. 그리고, MM 알고리즘을 통해 최적화 문제를 풀어 최적의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00139
)을 구할 수 있다.
행렬 계수 제약(rank constraint)의 경우 행렬 계수 완화(rank relaxation) 기법을 이용하여 행렬 계수 제약을 제거할 수 있다.
최적의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00140
)로부터 행렬 계수 완화(rank relaxation)를 통해서 아래 <수학식 12>과 같이 가장 큰 고유벡터(eigenvector)를 구하고자 하는 전파 방해 장치의 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00141
)의 후보벡터(
Figure 112014127403837-pat00142
)로 구할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112014127403837-pat00143
여기서,
Figure 112014127403837-pat00144
는 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00145
)의 후보벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00146
는 최적의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00147
)에서 가장 큰 고유치(eigenvalue)를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00148
는 최적의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00149
)에서 가장 큰 고유벡터(eigenvector)를 나타낸다.
후보벡터(
Figure 112014127403837-pat00150
)가 <수학식 8>과 <수학식 9>의 제약조건을 만족하는 가능해(feasible solution)인 경우 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00151
)는 후보벡터(
Figure 112014127403837-pat00152
)와 같다. 반면에 후보벡터(
Figure 112014127403837-pat00153
)가 가능해(feasible solution)가 아닌 경우는 아래 <수학식 13>과 같은 리스케일링(rescaling)을 통해서 제약조건을 만족하는 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00154
)를 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112014127403837-pat00155
여기서,
Figure 112014127403837-pat00156
는 최적의 빔포밍 벡터(
Figure 112014127403837-pat00157
)의 후보벡터를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00158
는 임의 매우 작은 양수의 값의 환산 계수(scaling factor)를 나타낸다.
리스케일링(rescaling)은 파워 제약이
Figure 112014127403837-pat00159
을 만족하고 후보벡터(
Figure 112014127403837-pat00160
)가 가능해(feasible solution)를 만족할 때까지 수행된다.
이와 같이 수신 장치에서 에너지 하베스팅을 수행하는 통신 시스템에 도청 장치가 있는 경우 요구하는 전력량을 만족시키고 보안용량을 최대화하는 수신 장치의 각각 시간 전환 기법과 파워 분배 기법의 최적의 비율과 전파 방해 장치의 최적의 빔포밍 벡터를 구하는 알고리즘을 아래 <표 1>과 <표 2>와 같이 표현할 수 있다.
[표 1]
Figure 112014127403837-pat00161
<표 1>은 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 벡터와 시간 전환 비율을 찾는 알고리즘으로 이후, 도 4와 도 5를 통해서 후술한다.
[표 2]
Figure 112014127403837-pat00162
<표 2>는 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 벡터와 파워 분배 비율을 찾는 알고리즘으로 이후, 도 4와 도 5를 통해서 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 협력 전송을 위한 전파 방해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전파 방해 장치(110)는 수집부(311), 설정부(312), 최적화부(313) 및 빔포빙 벡터 계산부(314)를 포함하는 제어부(310)와 통신부(320)를 포함하여 구성된다.
통신부(320)는 다중 안테나를 통해 송신 장치(120), 수신 장치(130) 및 도청 장치(140)와 통신하여 데이터를 송수신 한다.
수집부(311)는 통신부(320)를 통해 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치(120), 수신 장치(130) 및 도청 장치(140)로부터 수신하여 수집한다.
이때, 통신부(320)를 통해 수집하는 보안용량을 계산하는 데 필요한 정보는 수신 장치에서 측정한 송신 장치와 수신 장치 간의 채널 정보, 수신 장치에서 측정한 전파 방해 장치와 수신 장치 간의 채널 정보, 도청 장치에서 측정한 송신 장치와 도청 장치 간의 채널 정보 및 도청 장치에서 측정한 전파 방해 장치와 도청 장치 간의 채널 정보를 포함할 수 있다. 그 외에도, 수집부(311)는 잡음 정보 및 상술한 수학식에 기재된 파라메터 등을 수신하거나, 기설정된 정보를 통해 확인할 수 있다.
설정부(312)는 시간 전환 비율(또는 파워 분배 비율)와 빔포밍 공분산 행렬을 초기화하여 설정한다. 예를 들어, 설정부(312)는 시간 전환 비율(또는 파워 분배 비율)을 0으로 설정하고, 빔포밍 공분산 행렬을 기설정된 공분산 행렬로 설정할 수 있다.
최적화부(313)는 시간 전환 비율(또는 파워 분배 비율)을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, MM 알고리즘을 통해서 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 보안용량(secrecy rate)을 계산하고, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율(또는 최적의 파워 분배 비율)로 확인한다.
최적화부(313)에서 시간 전환 기법을 이용하는 경우, MM 알고리즘을 통해서 계산되는 보안용량은 아래 <수학식 14>와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112014127403837-pat00163
여기서,
Figure 112014127403837-pat00164
는 보정용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00165
는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00166
는 이전 시점(m)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00167
는 k번 증가된 시간 전환 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00168
는 1-
Figure 112014127403837-pat00169
시간 동안 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00170
는 수신 장치에서 요구하는 에너지 기준값을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00171
는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬의 파워를 나타낸다.
<수학식 14>에서
Figure 112014127403837-pat00172
를 볼록성에 관한 문제로 변환하면 아래 <수학식 15>와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112014127403837-pat00173
여기서,
Figure 112014127403837-pat00174
은 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00175
는 전파 방해 장치와 도청 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00176
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널의 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00177
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00178
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00179
는 수신 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00180
는 도청 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00181
와
Figure 112014127403837-pat00182
는 상기 도청 장치의 수신량에 해당하는 오목함수가 변형된 선형함수이다.
<수학식 15>에서
Figure 112014127403837-pat00183
와
Figure 112014127403837-pat00184
는 아래 <수학식 16>과 같이 표현된다.
[수학식 16]
Figure 112014127403837-pat00185
여기서,
Figure 112014127403837-pat00186
는 송신 장치(120)와 도청 장치(140) 사이의 채널을 나타낸다.
또한, 최적화부(313)에서 파워 분배 기법을 이용하는 경우, MM 알고리즘을 통해서 계산되는 보안용량은 아래 <수학식 17>와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112014127403837-pat00187
여기서,
Figure 112014127403837-pat00188
는 보정용량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00189
는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00190
는 이전 시점(m)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00191
는 k번 증가된 시간 전환 비율을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00192
는 1-
Figure 112014127403837-pat00193
시간 동안 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00194
는 수신 장치에서 요구하는 에너지 기준값을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00195
는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬의 파워를 나타낸다.
<수학식 17>에서
Figure 112014127403837-pat00196
를 볼록성에 관한 문제로 변환하면 아래 <수학식 18>와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112014127403837-pat00197
여기서,
Figure 112014127403837-pat00198
은 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00199
는 전파 방해 장치와 도청 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00200
는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널의 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00201
는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00202
는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00203
는 수신 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00204
는 도청 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00205
와
Figure 112014127403837-pat00206
는 상기 도청 장치의 수신량에 해당하는 오목함수가 변형된 선형함수이다.
<수학식 18>에서
Figure 112014127403837-pat00207
와
Figure 112014127403837-pat00208
는 아래 <수학식 19>과 같이 표현된다.
[수학식 19]
Figure 112014127403837-pat00209
여기서,
Figure 112014127403837-pat00210
는 안테나에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00211
는 신호 처리 부분에서의 잡음을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00212
는 송신 장치(120)와 도청 장치(140) 사이의 채널을 나타낸다.
한편, <수학식 14>에서 <수학식 19>로 표현한 MM 알고리즘을 통해서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율(또는 파워 분배 비율)을 구하는 구체적인 내용은 이후 도 5와 도 7을 통해서 후술한다.
빔포빙 벡터 계산부(314)는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 랭크 완화(rank relaxation)하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산한다.
보다 상세히 설명하면, 빔포빙 벡터 계산부(314)는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 이면 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
하지만, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 아니면, 빔포빙 벡터 계산부(314)는 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 협력 전송을 위해 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 시간 전환 비율을 찾는 과정을 도시한 도면이다.
도 4을 참조하면, 전파 방해 장치는 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신한다(410). 이때, 전파 방해 장치는 필요한 정보를 각 장치들로 요청해서 수신할 수도 있고, 각 장치(송신 장치, 수신 장치, 도청 장치)에서 일정 시간 또는 특정 조건을 만족하는 경우 전파 방해 장치로 송신할 수도 있다.
전파 방해 장치는 시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정한다(420). 이때, 시간 전환 비율은 0으로 설정하고, 빔포밍 공분사 행렬은 기설정된 공분산 행렬로 설정하거나 임의의 공분산 행렬로 설정할 수 있다. 한편, 시간 전환 비율은 누적된 시간 전환 비율을 근거로 대략적인 예상값을 선택하여 초기값으로 설정할 수도 있다.
전파 방해 장치는 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, MM(Minorization-Maximization) 알고리즘을 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 보안용량(secrecy rate)을 계산하고, 시간 전환 비율이 증가함에 따라 변화되는 보안용량이 최대가 되는 빔포밍 공분산 행렬을 확인하고, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율로 확인한다(430). MM 알고리즘을 이용하는 430단계는 이후 도 5를 통해서 후술하고자 한다.
전파 방해 장치는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 랭크 완화(rank relaxation)하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산한다(440).
440단계에서 전파 방해 장치는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 이면 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
하지만, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 아니면, 전파 방해 장치는 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율을 구하기 위해서 수행하는 MM알고리즘의 처리 동작을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전파 방해 장치는 시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정한다(420). 이때, 시간 전환 비율은 0으로 설정하고, 빔포밍 공분사 행렬은 기설정된 공분산 행렬로 설정할 수 있다.
전파 방해 장치는 오목함수들의 차이로 표현되는 보안용량을 확인한다(510).
전파 방해 장치는 오목함수들의 차이로 표현되는 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환한다(512).
전파 방해 장치는 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환한 보안용량이 최대가 되는 빔포밍 공분산 행렬을 계산한다(514).
514단계에서 전파 방해 장치는 0에서 1사이의 값을 가지는 시간 전환 비율의 현재 구간에서 현재의 빔포밍 공분산 행렬과 이전의 공분산 행렬과의 차이가 기설정한 기준값 이하가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬을 구한다. 이때, 현재의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00213
)과 이전의 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00214
)과의 차이는 현재의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00215
)과 이전의 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00216
)을 차이로 생성된 행렬에 대한 프로베니우스놈(Frobenius norm)을 수행한 값을 나타낸다.
그리고, 전파 방해 장치는 시간 전환 비율이 1인지 확인하여 닫힌 구간(closed-interval)을 모두 검색하였는지 확인한다(518).
518단계의 확인결과 시간 전환 비율이 1이 아니면 즉, 검색이 완료되지 않았으면, 전파 방해 장치는 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가 시키고, 510단계로 돌아가서 일련의 과정을 반복한다(520).
518단계의 확인결과 시간 전환 비율이 1이면 즉, 검색이 완료되었으면, 전파 방해 장치는 시간 전환 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 시점의 빔포밍 공분산 행렬을 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 결정한다(526).
그리고, 전파 방해 장치는 시간 전환 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 시점의 시간 전환 비율을 최적의 시간 전환 비율로 결정하고(528), 본 알고리즘을 종료한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 협력 전송을 위해 최적의 빔포밍 벡터와 최적의 파워 분배 비율을 찾는 과정을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전파 방해 장치는 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신한다(610). 이때, 전파 방해 장치는 필요한 정보를 각 장치들로 요청해서 수신할 수도 있고, 각 장치(송신 장치, 수신 장치, 도청 장치)에서 일정 시간 또는 특정 조건을 만족하는 경우 전파 방해 장치로 송신할 수도 있다.
전파 방해 장치는 파워 분배 비율(power splitting ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정한다(620). 이때, 파워 분배 비율은 0으로 설정하고, 빔포밍 공분사 행렬은 기설정된 공분산 행렬로 설정하거나 임의의 공분산 행렬로 설정할 수 있다. 한편, 파워 분배 비율은 누적된 파워 분배 비율을 근거로 대략적인 예상값을 선택하여 초기값으로 설정할 수도 있다.
전파 방해 장치는 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, MM(Minorization-Maximization) 알고리즘을 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 보안용량(secrecy rate)을 계산하고, 파워 분배 비율이 증가함에 따라 변화되는 보안용량이 최대가 되는 빔포밍 공분산 행렬을 확인하고, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율로 확인한다(630). MM 알고리즘을 이용하는 630단계는 이후 도 7을 통해서 후술하고자 한다.
전파 방해 장치는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 랭크 완화(rank relaxation)하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산한다(640).
640단계에서 전파 방해 장치는 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 이면 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
하지만, 후보 벡터가 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution) 아니면, 전파 방해 장치는 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 최적의 빔포밍 벡터로 결정한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 방해 장치에서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율을 구하기 위해서 수행하는 MM알고리즘의 처리 동작을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 전파 방해 장치는 파워 분배 비율(power splitting ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정한다(620). 이때, 파워 분배 비율은 0으로 설정하고, 빔포밍 공분사 행렬은 기설정된 공분산 행렬로 설정할 수 있다.
전파 방해 장치는 오목함수들의 차이로 표현되는 보안용량을 확인한다(710).
전파 방해 장치는 오목함수들의 차이로 표현되는 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환한다(712).
전파 방해 장치는 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환한 보안용량이 최대가 되는 빔포밍 공분산 행렬을 계산한다(714).
714단계에서 전파 방해 장치는 에서 1사이의 값을 가지는 파워 분배 비율의 현재 구간에서 현재의 빔포밍 공분산 행렬과 이전의 공분산 행렬과의 차이가 기설정한 기준값 이하가 되는 현재 빔포밍 공분산 행렬을 구한다. 이때, 현재의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00217
)과 이전의 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00218
)과의 차이는 현재의 빔포밍 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00219
)과 이전의 공분산 행렬(
Figure 112014127403837-pat00220
)을 차이로 생성된 행렬에 대한 프로베니우스놈(Frobenius norm)을 수행한 값을 나타낸다.
그리고, 전파 방해 장치는 파워 분배 비율이 1인지 확인하여 닫힌 구간(closed-interval)을 모두 검색하였는지 확인한다(718).
718단계의 확인결과 파워 분배 비율이 1이 아니면 즉, 검색이 완료되지 않았으면, 전파 방해 장치는 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가 시키고, 710단계로 돌아가서 일련의 과정을 반복한다(720).
718단계의 확인결과 파워 분배 비율이 1이면 즉, 검색이 완료되었으면, 전파 방해 장치는 파워 분배 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 시점의 빔포밍 공분산 행렬을 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 결정한다(726).
그리고, 전파 방해 장치는 파워 분배 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 시점의 파워 분배 비율을 최적의 파워 분배 비율로 결정하고(728), 본 알고리즘을 종료한다.
도 8은 본 발명의 표 1의 알고리즘을 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량에 따라 계산된 보안용량을 신호대 잡음비에 대해 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 표 2의 알고리즘을 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량에 따라 계산된 보안용량을 신호대 잡음비에 대해 도시한 그래프이다.
도 8과 도 9에서 K는 아래 <수학식 20>과 같이 수신 장치에서 요구하는 최소 전력량과 송신 장치의 송신 파워의 비를 의미한다. 즉, 수신 장치에서 송신 파워에 대해 얼마만큼의 에너지를 에너지 하베스팅하여 저장할 수 있는지를 의미한다.
[수학식 20]
Figure 112014127403837-pat00221
여기서,
Figure 112014127403837-pat00222
는 수신 장치에서 요구하는 최소 전력량을 나타내고,
Figure 112014127403837-pat00223
는 송신 장치의 송신 파워를 나타낸다.
도 8과 도 9의 모의 실험에서는 에너지 하베스팅 효율(
Figure 112014127403837-pat00224
)을 0.5(50%)로 가정하였고, 전파 방해 장치의 다중 안테나의 수(N)는 4개이다. 도 8과 도 9에서 수신 장치에서 요구하는 전력량이 0인 경우 즉, (K = 0)인 경우를 보게 되면, 종래의 기법인 power gain region을 통해 구한 최적의 빔포밍 벡터를 통해 찾은 최대의 보안용량과 알고리즘 1과 2를 통해 최대의 보안용량과 같은 것을 확인 할 수 있다. 즉, (K = 0)인 특별한 경우에 대해서 다른 power gain을 이용한 최적의 기법과 <표 1>과 <표 2>의 알고리즘에서 구한 보안용량이 같은 것을 통해 실제 <표 1>과 <표 2>의 알고리즘 이 적합함을 알 수 있다.
또한 도 8과 도 9에서 upper bound는 도청 장치가 없는 경우이고, lower bound는 전파 방해 장치가 없는 경우이며, (K = 0.5)인 경우에도 전파 장해 장치가 없는 경우 lower bound와 비교하여 약 2배정도의 보안용량을 획득할 수 있음을 알 수 있다. K가 작을수록, 즉, 수신 장치에서 요구하는 전력량이 작을수록 수신 장치에서 보장할 수 있는 보안용량이 증가하는 트레이드 오프가 있음을 알 수 있다. 이를 통해 <표 1>과 <표 2>의 알고리즘을 통해 수신 장치에서 요구하는 전력량을 만족시키면서 동시에 최대의 보안용량을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 전송을 위한 전파 방해 장치 및 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 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 전파 방해 장치
120: 송신 장치
130: 수신 장치
140: 도청 장치

Claims (15)

  1. 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신하는 단계;
    시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 단계;
    상기 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 단계; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율을 확인하는 단계는,
    오목함수들의 차이로 표현되는 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하는 단계;
    0에서 1사이의 값을 가지는 상기 시간 전환 비율을 기설정한 구간으로 구분하고, 상기 시간 전환 비율을 상기 구간 단위로 증가시키면서, 상기 각 구간별로 상기 보안용량이 최대가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬을 확인하는 단계;
    상기 시간 전환 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 빔포밍 공분산 행렬을 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인하는 단계; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인된 시점의 시간 전환 비율을 상기 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 단계를 포함하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 상기 보안용량을 계산하는 데 필요한 정보는,
    상기 송신 장치의 송신파워,
    상기 수신 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보,
    상기 수신 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보,
    상기 도청 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보 및
    상기 도청 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보를 포함하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하는 단계는,
    옌센 부등식(Jensen's inequality), 슈바르츠의 부등식(Schwarz? inequality) 또는 받침 초평면(Supporting hyperplane) 중에서 하나를 이용해서 상기 보안용량에 포함된 상기 오목함수들 중에서 하나를 선형화(linearization)하여 상기 선형함수로 변환하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보안용량은 MM(Minorization-Maximization) 알고리즘을 통해서 계산되며, 아래 <수학식 21>과 같이 표현되는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
    [수학식 21]
    Figure 112015128196726-pat00225

    여기서,
    Figure 112015128196726-pat00226
    는 보정용량을 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00227
    는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00228
    는 이전 시점(m)에서의 빔포밍 공분산 행렬을 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00229
    는 k번 증가된 시간 전환 비율을 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00230
    는 1-
    Figure 112015128196726-pat00231
    시간 동안 에너지 하베스팅을 통해 변환된 에너지를 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00232
    는 수신 장치에서 요구하는 에너지 기준값을 나타내고,
    Figure 112015128196726-pat00233
    는 현재 시점(m+1)에서의 빔포밍 공분산 행렬의 파워를 나타낸다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 <수학식 21>에서
    Figure 112014127403837-pat00234
    를 볼록성에 관한 문제로 변환하면 아래 <수학식 22>와 같이 표현되는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
    [수학식 22]
    Figure 112014127403837-pat00235

    여기서,
    Figure 112014127403837-pat00236
    은 전파 방해 장치와 수신 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00237
    는 전파 방해 장치와 도청 장치 사이의 채널 행렬을 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00238
    는 송신 장치와 수신 장치 사이의 채널의 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00239
    는 전파 방해 장치의 송신 파워를 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00240
    는 송신 장치의 송신 파워를 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00241
    는 수신 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00242
    는 도청 장치에서의 잡음 파워를 나타내고,
    Figure 112014127403837-pat00243
    와
    Figure 112014127403837-pat00244
    는 상기 도청 장치의 수신량에 해당하는 오목함수가 변형된 선형함수이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계는,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고,
    상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 이면 상기 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정하고,
    상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 아니면 상기 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 상기 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  8. 보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치로부터 수신하는 단계;
    파워 분배 비율(power splitting ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 단계;
    상기 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율로 확인하는 단계; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율을 확인하는 단계는,
    오목함수들의 차이로 표현되는 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하는 단계;
    0에서 1사이의 값을 가지는 상기 파워 분배 비율을 기설정한 구간으로 구분하고, 상기 파워 분배 비율을 상기 구간 단위로 증가시키면서, 상기 각 구간 별로 상기 보안용량이 최대가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬의을 확인하는 단계;
    상기 파워 분배 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 빔포밍 공분산 행렬을 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인하는 단계; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인된 시점의 파워 분배 비율을 상기 최적의 파워 분배 비율로 확인하는 단계를 포함하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 상기 보안용량을 계산하는 데 필요한 정보는,
    상기 송신 장치의 송신파워,
    상기 수신 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보,
    상기 수신 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 수신 장치 간의 채널 정보,
    상기 도청 장치에서 측정한 상기 송신 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보 및
    상기 도청 장치에서 측정한 상기 전파 방해 장치와 상기 도청 장치 간의 채널 정보를 포함하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 단계는,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 얻을 수 있는 고유 벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 벡터를 후보 벡터로 선택하고,
    상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 이면 상기 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정하고,
    상기 후보 벡터가 상기 보안용량을 만족하게 하는 가능해(feasible solution) 아니면 상기 후보 벡터를 증가시키면서 리스케일링(rescaling)하여 상기 보안용량을 만족하는 가능해(feasible solution)를 검색하고, 리스케일링된 후보 벡터를 상기 최적의 빔포밍 벡터로 결정하는
    전파 방해 장치에서 협력 전송을 위한 방법.
  12. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제9항 및 제11항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
  13. 다중 안테나를 통해 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치와 통신하여 데이터를 송수신 하는 통신부; 및
    제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 수집부;
    시간 전환 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 설정부;
    상기 시간 전환 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 시간 전환 비율로 확인하는 최적화부; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 빔포밍 벡터 계산부를 포함하고,
    상기 최적화부는,
    오목함수들의 차이로 표현되는 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하고,
    0에서 1사이의 값을 가지는 상기 시간 전환 비율을 기설정한 구간으로 구분하고, 상기 시간 전환 비율을 상기 구간 단위로 증가시키면서, 상기 각 구간 별로 상기 보안용량이 최대가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬을 확인하고,
    상기 시간 전환 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 빔포밍 공분산 행렬을 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인하고,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인된 시점의 시간 전환 비율을 상기 최적의 시간 전환 비율로 확인하는
    협력 전송을 위한 전파 방해 장치.
  14. 삭제
  15. 다중 안테나를 통해 송신 장치, 수신 장치 및 도청 장치와 통신하여 데이터를 송수신 하는 통신부; 및
    제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    보안용량을 계산하는데 필요한 정보를 상기 송신 장치, 상기 수신 장치 및 상기 도청 장치로부터 수신하는 수집부;
    파워 분배 비율(time switching ratio)와 빔포밍 공분산(covariance) 행렬의 초기값을 설정하는 설정부;
    상기 파워 분배 비율을 기설정한 크기만큼 증가시키면서, 통해 오목함수(concave function)들의 차이로 표현되는 상기 보안용량(secrecy rate)을 계산하여서, 최적의 빔포밍 공분산 행렬과 최적의 파워 분배 비율로 확인하는 최적화부; 및
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬을 행렬 계수 완화(rank relaxation)에 기초하여 최적의 빔포밍 벡터를 계산하는 빔포밍 벡터 계산부를 포함하고,
    상기 최적화부는,
    오목함수들의 차이로 표현되는 상기 보안용량에 포함된 오목함수들 중에서 하나를 선형함수로 변환해서 볼록성(convex)에 관한 문제로 변환하고,
    0에서 1사이의 값을 가지는 상기 파워 분배 비율을 기설정한 구간으로 구분하고, 상기 파워 분배 비율을 상기 구간 단위로 증가시키면서, 상기 각 구간 별로 상기 보안용량이 최대가 되는 현재의 빔포밍 공분산 행렬을 확인하고,
    상기 파워 분배 비율의 각 구간에서 계산된 보안용량들 중에서 가장 큰 보안용량의 시점에 해당하는 빔포밍 공분산 행렬을 상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인하고,
    상기 최적의 빔포밍 공분산 행렬로 확인된 시점의 파워 분배 비율을 상기 최적의 파워 분배 비율로 확인하는
    협력 전송을 위한 전파 방해 장치.
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