KR101711332B1 - 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 데이터 전송 방법 및 장치 - Google Patents

멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 데이터 전송 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

도청장치로 구성된 티어가 혼재한 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성 향상을 위해 링크 적응적으로 데이터를 전송하는 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 데이터 전송 방법은 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 단계; 및 상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 단계를 포함하며, 상기 보안 에너지 효율성 모델은, 상기 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따른 상기 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며, 상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정된다.

Description

멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 데이터 전송 방법 및 장치{DATA TRASMISSION METHOD AND DEVICE FOR SECRECY ENERGY EFFICIENCY IN MULTI-TIER WIRELESS NETWORK}
본 발명은 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 데이터 전송 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도청장치로 구성된 티어가 혼재한 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성 향상을 위한 D2D 송신기의 링크 적응(Link Adaptation) 방법 및 장치에 관한 것이다.
스마트 디바이스들의 보급과 새로운 무선통신 서비스의 등장으로 인해, 높은 주파수 효율성을 달성하는 것이 점점 중요해지고 있다. 디바이스간의 직접 통신(Device-to-Device communication, D2D 통신)은 주파수 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로 주목 받고 있다. D2D 통신은 가까이에 있는 스마트 디바이스들이 기지국을 거치지 않고 직접 서로 통신하는 것을 가능하도록 한다.
무선 채널의 널리 퍼지는 특성 때문에 D2D 통신과 같은 무선통신에서 보안을 유지하는 것은 중요한 이슈이다. 전통적으로 응용 레이어(application layer)에서 cryptographic 기법을 사용하여 통신에서의 보안을 달성하였다. 하지만 cryptographic 기법을 사용하여 달성한 보안수준은 도청장치의 계산 능력이 향상됨에 따라 떨어진다. Cryptographic 기법과 달리 물리 계층 보안(physical layer security)은 도청장치가 무한대의 계산 능력을 가지고 있다 하더라도 완벽한 보안 통신을 보장할 수 있다. 이는 도청장치가 송신기들의 정보를 뺏어가는 것을 막기 위해 무선 채널의 물리적 특성을 이용한다. 이러한 이유로 통신에서의 보안수준을 향상시키기 위해 많은 물리 계층 보안 기법이 연구되고 있다.
한편, 무선 통신에서의 에너지 효율성 향상 또한 중요한 연구 이슈이다. 여기서, 에너지 효율성은 단위 에너지 소비당 에러없이 전송할 수 있는 비트 수이다. 대부분의 무선통신 장치들은 배터리 기반으로 동작하기 때문에 긴 배터리 수명은 중요하다. 특히, 배터리 교체하는 것이 불편하거나 할 수 없는 상황에서 긴 배터리 수명은 더욱 중요하다. 하지만 배터리 용량의 발전속도는 무선통신 장치들의 에너지 공급수요량을 따라가지 못하고 있다. 이러한 이유로 에너지 효율적인 통신 기법에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
전술된 바와 같이, 무선 통신에서는 보안 및 에너지 효율성이 모두 중요하고, 이에 따라 무선 통신 시스템의 보안 에너지 효율성(Secrecy Energy Efficiency)을 향상시킬 수 있는 연구가 진행되고 있다. 보안 에너지 효율성이란 단위 에너지 소비당 안전하고 에러 없이 전송할 수 있는 비트 수를 나타내는 것으로, 다른 말로 도청을 막으면서, 동시에 적은 소비 전력으로 얼마나 많은 데이터를 전송할 수 있는지를 나타낸다.
관련된 선행문헌으로 대한민국 공개 특허 제2012-0086497호, 비특허 문헌 "Energy-Efficient Optimization for Physical Layer Security in Multi-Antenna Downlink Networks with QoS Guarantee, Xiaoming Chen and Lei Lei, 2013, IEEE"가 있다.
본 발명은 도청장치로 구성된 티어가 혼재한 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성 향상을 위해 링크 적응적으로 데이터를 전송하는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기의 데이터 전송 방법에 있어서, 상기 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 단계; 및 상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 단계를 포함하며, 상기 보안 에너지 효율성 모델은, 상기 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따른 상기 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며, 상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는, 데이터 전송 방법을 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기의 데이터 전송 방법에 있어서, 제1티어의 D2D 송신기 밀도를 이용하여, 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되는 상기 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 모델링하는 단계; 상기 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 단계; 및 상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 단계를 포함하며, 상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는, 데이터 전송 방법을 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기에 있어서, 상기 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 송신 파워 제어부; 및 상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 데이터 전송부를 포함하며, 상기 보안 에너지 효율성 모델은, 상기 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따 따른 상기 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며, 상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는, D2D 송신기를 제공한다.
본 발명에 따르면, D2D 네트워크 티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여 D2D 송신기의 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 제어함으로써, D2D 네트워크 티어의 보안 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 셀룰러 네트워크의 최소 보안 에너지 효율성을 고려하여 D2D 송신기의 송신 파워를 조절함으로써, 셀룰러 네트워크의 최소 보안 에너지 효율을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 티어 무선 네트워크를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 D2D 송신기의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 D2D 송신기의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 D2D 송신기가 전송하는 데이터 프레임을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 D2D 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 티어 무선 네트워크를 도시한 도면이다.
도 1에서는 3개의 티어로 구성된 멀티 티어 무선 네트워크가 일실시예로서 설명되나 티어의 개수에 제한은 없다. 제1티어는 D2D 송신기 및 D2D 수신기를 포함하는 D2D 네트워크이며, 제2티어는 도청장치로 구성된다. 제3티어는 기지국 및 다수의 셀룰러 사용자를 포함하는 셀룰러 네트워크이다. 제1티어는 실시예에 따라 WLAN, WPAN 등과 같은 근거리 무선 네트워크일 수 있다. 티어의 종류에 따라 기지국은 AP 등 다른 이름으로 명명될 수 있다.
본 발명은 멀티 티어 무선 네트워크에서, D2D 네트워크 티어의 보안 에너지 효율성을 높이기 위한, D2D 송신기의 데이터 전송 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 D2D 송신기는, D2D 네트워크 티어의 보안 에너지 효율성을 높이기 위해 D2D 네트워크 티어의 보안 에너지 효율성 모델에 기반하여 링크 적응을 통해 데이터를 전송한다.
다시 설명하면, D2D 송신기는 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여 이용하여 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 결정하고, 이에 따라서 데이터를 전송한다. D2D 송신기는 보안을 위해, 보안 데이터 및 리던던시 데이터를 포함하는 데이터를 전송한다. 보안을 고려하기 때문에, 본 발명에 따른 멀티 티어 무선 네트워크는 도청장치로 구성된 티어를 포함한다.
또한 일반적으로 D2D 네트워크는 셀룰러 네트워크에 포함되고, 셀룰러 네트워크의 셀룰러 단말이 D2D 송신기 및 D2D 수신기로 활용되기 때문에, D2D 네트워크는 셀룰러 네트워크 간에 간섭이 발생한다. 이러한 간섭은 셀룰러 네트워크의 보안 에너지 효율성을 감소시킬 수 있기 때문에, 본 발명은 이러한 멀티 티어 무선 네트워크에서, 기 설정된 셀룰러 네트워크의 최소 보안 에너지 효율을 보장할 수 있도록 D2D 송신기의 송신 파워를 조절한다.
본 발명에 따른 보안 에너지 효율성 모델은 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따른 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의된다. 그리고 소비 전력은 D2D 송신기의 송신 파워를 포함하며, 실시예에 따라서 제1티어에 포함된 모든 D2D 송신기의 고정 소비 전력을 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 보안 에너지 효율성 모델은 D2D 송신기에 대한 송신 파워를 파라미터로 포함하고 있으므로, 보안 에너지 효율성이 타겟 값(예를 들어, 최대값)이 되는 송신 파워가 결정될 수 있다.
또한, 단위 면적당 보안 쓰루풋은 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정된다. 그리고 자세히 후술되지만 디코딩 성공 확률과 디코딩 실패 확률은, D2D 송신기의 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률에 따라 결정된다. 즉, 본 발명에 따른 보안 에너지 효율성 모델은 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률에 대한 파라미터도 포함하며, 데이터 전송률은 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률의 합이므로, D2D 송신기는 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률 또한 결정할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, D2D 네트워크 티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여 D2D 송신기의 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 제어함으로써, D2D 네트워크 티어의 보안 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 셀룰러 네트워크의 최소 보안 에너지 효율성을 고려하여 D2D 송신기의 송신 파워를 조절함으로써, 셀룰러 네트워크의 최소 보안 에너지 효율을 보장할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술된 바와 같이, 밀도에 따른 단위 면적 개념을 이용한다. D2D 송신기의 개수는 쓰루풋, 소비 전력 등에 영향을 미치고, 또한 티어의 면적에 따라서 D2D 송신기의 개수가 쓰루풋, 소비 전력 등에 미치는 영향은 달라지는데, 상황에 따라서 D2D 네트워크를 구성하는 D2D 단말 및 티어의 면적이 달라지기 때문이다.
그리고 티어에 포함된 모든 D2D 송신기가 각각 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 계산할 수 있는데, 티어에 포함된 D2D 송신기가 PPP(Poisson Point Process) 분포에 따른 밀도로 위치할 경우 D2D 수신기의 수신 신호에 대한 통계적 특성이 동일하기 때문에, 동종 티어의 대표 D2D 송신기에서 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 결정하고 공유할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 D2D 송신기의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 D2D 송신기의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 D2D 송신기가 전송하는 데이터 프레임을 나타낸다.
본 발명에 따른 D2D 송신기는, D2D 송신기가 포함된 제1티어의 D2D 송신기 밀도를 이용하여, 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되는 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 모델링(S210)한다.
전술된 바와 같이, 보안 에너지 효율성 모델은 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며, 이하에서는 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력을 이용하여 보안 에너지 효율성 모델을 모델링하는 과정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
<보안 에너지 효율성 모델>
단위 면적당 보안 쓰루풋은 제1티어에 포함된 D2D 수신기에서 D2D 송신기의 데이터를 수신하여 에러없이 디코딩에 성공하고, 제2티어의 모든 도청 장치가 제1티어 D2D 송신기의 데이터를 디코딩할 수 없을 경우의 쓰루풋으로 정의된다. 따라서, D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치의 디코딩 실패 확률을 이용하여 단위 면적당 보안 쓰루풋을 모델링할 수 있다.
디코딩 성공 확률은 D2D 수신기에 대한 SIR이 제1임계값 이상일 확률이며, 제1임계값은 D2D 송신기의 데이터 전송률에 따라 결정된다.
그리고 디코딩 실패 확률은 도청장치에 대한 SIR이 제2임계값 이하일 확률이며, 제2임계값은 D2D 송신기의 전송 신호에서, 데이터 보호를 위한 리던던시 데이터의 전송률에 따라 결정된다.
도 4를 참조하면, 제1티어의 D2D 송신기가 D2D 수신기로 전송하는 데이터는 보안 데이터(410) 및 리던던시 데이터(420)를 포함한다. 보안 데이터(410)는 전송하고자 하는 데이터로 암호화될 수 있으며, 리던던시 데이터(420)는 보안 데이터(410) 보호를 위한 일종의 인공 잡음으로써 도청장치의 디코딩을 방해한다. 보안 데이터(410) 및 리던던시 데이터(420)는 각각의 데이터 전송률로 D2D 수신기로 전송되는데, 이 전송률에 따라 임계값이 결정된다.
샤논(Shannon)의 이론에 따르면, 채널 용량은 [수학식 1]에 따라 결정되는데, 채널 용량은 데이터 전송률에 의존적이므로 데이터 전송률이 [수학식 1]에 따라 결정된다고 할 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00001
결국 보안 데이터(410) 및 리던던시 데이터(420)의 전송률이 결정되면, [수학식 1]에 따라서, 그를 만족하는 SIR이 결정될 수 있는데, 여기서 결정된 SIR이 제1 및 제2임계값(
Figure 112016038663423-pat00002
,
Figure 112016038663423-pat00003
)이 된다. 즉, 제1임계값은 D2D 송신기의 데이터 전송률(RB,D, 보안 데이터 전송률(RS,D) + 리던던시 데이터 전송률(RE,D))에 따라 결정되며, 제2임계값은 D2D 송신기의 데이터 보호를 위한 리던던시 데이터(420)의 전송률에 따라 결정된다.
전송 신호에 대한 D2D 수신기의 SIR이 일실시예로서 [수학식 2]과 같을 경우, D2D 수신기의 디코딩 성공 확률(PC,D)은 [수학식 3]과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00004
여기서, [수학식 2]의 분자는 D2D 송신기의 전송 신호 성분으로서, h는 채널 백터를 나타내며, d는 D2D 송신기와 D2D 수신기의 거리를 나타낸다. α는 path-loss exponent를 나타내며, pD는 D2D 송신기의 송신 파워를 나타낸다. 그리고 [수학식 2]의 분모는 간섭 성분으로서, 제3티어의 기지국 또는 또 다른 D2D 송신기로부터 수신되는 신호일 수 있다. [수학식 2]의 분모에서 h는 기지국과 D2D 수신기 사이의 채널 백터이며, d는 기지국과 D2D 수신기 사이의 거리이다. pj는 제3티어의 기지국 또는 또 다른 D2D 송신기의 송신 파워를 나타낸다.
Figure 112016038663423-pat00005
여기서
Figure 112016038663423-pat00006
이고,
Figure 112016038663423-pat00007
이고,
Figure 112016038663423-pat00008
이고,
Figure 112016038663423-pat00009
이고
Figure 112016038663423-pat00010
이다. 그리고
Figure 112016038663423-pat00011
이고,
Figure 112016038663423-pat00012
이다.
Figure 112016038663423-pat00013
는 제1티어의 D2D 송신 밀도이며,
Figure 112016038663423-pat00014
는 D2D 송신기의 활성화 확률이다.
Figure 112016038663423-pat00015
는 제2티어의 기지국 밀도이며,
Figure 112016038663423-pat00016
는 기지국의 활성화 확률이다.
활성화 확률은 D2D 송신기 또는 기지국이 활성화 모드(activation mode)로 진입하여 데이터를 송수신하는 확률을 나타낸다. 예를 들어, 활성화 확률값이 0일 경우 기지국은 아이들 모드(idle mode)를 유지하며, 1일 경우 활성화 모드를 유지한다. 즉,
Figure 112016038663423-pat00017
및
Figure 112016038663423-pat00018
는 활성화된 D2D 송신기 및 기지국의 밀도를 나타낸다. 실시예에 따라서 활성화 확률을 1로 전제하고,
Figure 112016038663423-pat00019
및
Figure 112016038663423-pat00020
를 [수학식 3]에 사용할 수도 있다.
그리고 전송 신호에 대한 도청장치의 SIR이 예를 들어, [수학식 4]와 같을 경우, 도청장치의 디코딩 실패 확률(Pe,D)은 [수학식 5]과 같이 계산될 수 있다. 제2티어에 포함된 도청장치가 복수개일 경우 복수의 도청장치에 대한 SIR 중 가장 큰 SIR(max SIR)이 제2임계값보다 작을 확률이 디코딩 실패 확률이 될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00021
[수학식 2]와 유사하게, [수학식 4]의 분자는 D2D 송신기의 전송 신호 성분으로서, G는 채널 백터를 나타내며 d는 D2D 송신기와 SIR이 가장 큰 도청장치의 거리를 나타낸다. 그리고 [수학식 2]의 분모는 간섭 성분을 나타내며, 제3티어의 기지국 또는 또 다른 D2D 송신기로부터 수신되는 신호이다.
Figure 112016038663423-pat00022
여기서
Figure 112016038663423-pat00023
이고,
Figure 112016038663423-pat00024
이다. 그리고
Figure 112016038663423-pat00025
이고,
Figure 112016038663423-pat00026
는 제2티어의 도청장치 밀도이며,
Figure 112016038663423-pat00027
는 도청장치의 활성화 확률을 나타낸다.
도청장치의 채널 정보, 위치 및 밀도 등 도청장치에 관한 정보는 주어질 수 있으며, 예를 들어 통계적으로 계산된 도청장치에 관한 정보가 이용될 수 있다.
최종적으로 제1티어에 대한 단위 면적당 보안 쓰루풋은 [수학식 6]과 같이, D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치의 디코딩 실패 확률의 곱으로 표현될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00028
그리고 제1티어의 소비 전력, 즉 활성화된 D2D 송신기의 송신 파워(pD) 및 제1티어에 포함된 모든 D2D 송신기의 고정 파워(pC,D)는 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다. D2D 송신기의 활성화 여부와 무관하게 D2D 송신기는 항상 전력을 소비하므로, 단위 면적당 소비 전력에 고정 파워가 포함될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00029
결국, 제1티어에 대한 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율인 보안 에너지 효율성 모델은 [수학식 8]과 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00030
한편, 제3티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델 역시 전술된 과정을 거쳐 모델링될 수 있으며, 일실시예로서, [수학식 9]와 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00031
여기서
Figure 112016038663423-pat00032
Figure 112016038663423-pat00033
는 각 기지국의 회로에서 소비하는 고정파워를 의미하고
Figure 112016038663423-pat00034
이고
Figure 112016038663423-pat00035
이고
Figure 112016038663423-pat00036
이다. 제3티어의 기지국 역시 보안 데이터 및 리던던시 데이터를 전송할 수 있으며, 기지국의 데이터 전송률(RB,C)은 보안 데이터 전송률(RS,C) 및 리던던시 데이터 전송률(RE,C)의 합이다. pc는 기지국의 송신 파워, pc,c는 기지국의 고정 파워이다.
전술된 모델링 방법에 이용되는 수식은 일실시예이며, 실시예에 따라서 다양한 형태의 수식이 모델링에 이용될 수 있다. 예를 들어, D2D 송신기와 D2D 수신기 사이의 채널 백터, D2D 송신기와 도청 장치 사이의 채널 백터가 동일한 것으로 가정하거나 D2D 송신기가 소비하는 고정 파워가 무시될 수도 있다.
다시 도 2로 돌아와, D2D 송신기는 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정(S220)한다. 그리고, 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송(S230)한다. 즉, D2D 송신기는 보안 데이터를 보안 데이터 전송률에 따라 전송하고, 리던던시 데이터를 리던던시 데이터 전송률에 따라 전송하되, 결정된 송신 파워로 전송할 수 있다.
타겟 값은, 보안 에너지 효율성이 최대가 될 수 있도록 제1티어의 보안 에너지 효율성 모델의 최대값에 대응되는 값일 수 있다. 다만 실제 네트워크 환경, D2D 송신기의 자원 등에 따라서 타겟 값은 다양하게 설정될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 D2D 송신기는 결정된 송신 파워를 이용하여, 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 보안 데이터 전송률을 결정할 수 있으며, 결정된 송신 파워 및 보안 데이터 전송률을 이용하여, 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 리던던시 데이터 전송률을 결정할 수 있다.
실시예에 따라서 결정되는 파라미터의 순서는 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 보안 데이터 전송률이 결정되고 순차적으로 송신 파워, 리던던시 데이터 전송률이 결정될 수 있다.
이 때, 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률에 대한 초기 값이 주어지고, 순차적으로 초기 값을 보안 에너지 효율성 모델에 대입하여 갱신하면서 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 결정할 수 있다.
한편, D2D 송신기는 셀룰러 네트워크인 제3티어의 보안 에너지 효율성이 제1임계값 이상이 되는 D2D 송신기의 레퍼런스 송신 파워를 고려하여, 송신 파워를 결정한다. D2D 송신기는 제3티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여 레퍼런스 송신 파워를 결정할 수 있다.
전술된 [수학식 9]에서, 제3티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델은 D2D 송신기의 송신 파워(pD)를 파라미터로 포함하고 있음을 확인할 수 있다. [수학식 9]는 그래프가 위로 볼록한 포물선 형태인 quasi-concave 함수이며, 최소 보안 에너지 효율성 값이 설정되면 최소 보안 에너지 효율성 값을 만족하는 송신 파워 값이 도출될 수 있다.
예를 들어, 나머지 파리미터에 대한 값이 주어지면 바이섹션 메소드(bisection method)와 같은 해를 찾는 알고리즘을 통해 송신 파워 값이 도출될 수 있으며, 도출된 송신 파워 값이 레퍼런스 송신 파워가 된다. 최소 보안 에너지 효율성 값은 실시예에 따라서 다양하게 설정될 수 있는 값이다.
본 발명에 따른 D2D 송신기는 송신 파워를 결정하기 위해, 제1티어의 보안 에너지 효율성 모델이 최대값을 갖는 송신 파워 해를 계산한다. 보안 에너지 효율성 모델, 즉 [수학식 8]은 그래프가 위로 볼록한 포물선 형태인 quasi-concave 함수이기 때문에, D2D 송신기는 [수학식 8]을 송신 파워 파라미터에 대해 미분하여, 보안 에너지 효율성 모델의 최대값에 대응되는 송신 파워 해를 계산할 수 있다.
[수학식 8]을 송신 파워 파라미터에 대해 미분한 결과인 [수학식 10]을 만족하는 송신 파워 해(
Figure 112016038663423-pat00037
)는, 보안 에너지 효율성 모델의 최대값에 대응되는 해가 된다. 이 때, 송신 파워 해를 구하기 위해 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률의 초기값이 주어질 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00038
여기서
Figure 112016038663423-pat00039
,
Figure 112016038663423-pat00040
, 그리고
Figure 112016038663423-pat00041
이다.
그리고 D2D 송신기는 레퍼런스 송신 파워를 고려하여, D2D 송신기의 최대 송신 파워 범위 내에서 최종적으로 송신 파워(
Figure 112016038663423-pat00042
)를 결정한다. 일실시예로서, [수학식 11]과 같이, 송신 파워 해(
Figure 112016038663423-pat00043
)가 레퍼런스 송신 파워 및 최대 송신 파워중 작은 값보다 작으면, 송신 파워 해(
Figure 112016038663423-pat00044
)가 송신 파워(
Figure 112016038663423-pat00045
)로 결정되며, 송신 파워 해(
Figure 112016038663423-pat00046
)가 레퍼런스 송신 파워 및 최대 송신 파워중 작은 값보다 크면, 송신 파워 및 최대 송신 파워중 작은 값이 송신 파워(
Figure 112016038663423-pat00047
)로 결정될 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00048
다음으로 본 발명에 따른 D2D 송신기는 보안 데이터 전송률을 결정하기 위해, 제1티어의 보안 에너지 효율성 모델이 최대값을 갖는 보안 데이터 전송률 해를 계산한다.
[수학식 8]을 보안 데이터 전송률 파라미터에 대해 미분한 결과인 [수학식 12]를 만족하는 보안 데이터 전송률 해(
Figure 112016038663423-pat00049
)는, 보안 에너지 효율성 모델의 최대값에 대응되는 해가 된다. 이 때, 보안 데이터 전송률 해를 구하기 위해 리던던시 데이터 전송률의 초기값 및 기 계산된 송신 파워가 주어질 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00050
여기서
Figure 112016038663423-pat00051
이고
Figure 112016038663423-pat00052
이다.
그리고 D2D 송신기는 보안 데이터 전송률 해와 D2D 송신기의 최소 보안 데이터 전송률(
Figure 112016038663423-pat00053
)을 비교하여, [수학식 13]과 같이, 최소 보안 데이터 전송률 이상이 되도록 보안 데이터 전송률(
Figure 112016038663423-pat00054
)을 결정한다.
Figure 112016038663423-pat00055
다음으로, D2D 송신기는 리던던시 데이터 전송률을 결정하기 위해, 제1티어의 보안 에너지 효율성 모델이 최대값을 갖는 리던던시 데이터 전송률 해를 계산한다. 계산된 해가 최종적으로 리던던시 데이터 전송률로 결정될 수 있다.
[수학식 8]을 리던던시 데이터 전송률 파라미터에 대해 미분한 결과인 [수학식 14]를 만족하는 리던던시 데이터 전송률 해(
Figure 112016038663423-pat00056
)는, 보안 에너지 효율성 모델의 최대값에 대응되는 해가 된다. 이 때, 리던던시 데이터 전송률 해를 구하기 위해 기 계산된 송신 파워 및 보안 데이터 전송률이 주어질 수 있다.
Figure 112016038663423-pat00057
여기서
Figure 112016038663423-pat00058
,
Figure 112016038663423-pat00059
, 그리고
Figure 112016038663423-pat00060
이다.
본 발명에 따른 D2D 송신기는 전술된 바와 같이 계산된 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 전술된 과정을 반복하며 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 갱신한다. 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률이 갱신되면서, 제1티어의 보안 에너지 효율은 최대값에 수렴한다.
한편, 도 2와 달리 도 3은 보안 에너지 효율성 모델을 모델링하는 단계를 포함하지 않는다. 실시예에 따라서, 기 모델링된 보안 에너지 효율성 모델이 기지국에 저장될 수 있으며, D2D 송신기는 저장된 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 송신 파워를 결정(S310)하고, 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송(S320)할 수 있다.
또한 도 2에서는 보안 에너지 효율성 모델링에 SIR이 이용되었는데, 실시예에 따라서 SNR, SNIR 등이 이용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 D2D 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 D2D 송신기는 송신파워 제어부(510) 및 데이터 전송부(520)를 포함한다. 그리고 실시예에 따라서 전송률 제어부(530)를 더 포함할 수 있다.
송신파워 제어부(510)는 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정한다.
데이터 전송부(520)는 송신파워 제어부(510)에서 결정된 송신 파워를 이용하여 데이터를 전송한다. 데이터 전송부(520)가 전송하는 데이터는 보안 데이터 및 리던던시 데이터를 포함하며, 데이터 전송부(520)는 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 보안 데이터 및 리던던시 데이터를 전송한다. 보안 데이터 전송률은 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률의 차이와 대응된다.
보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률은 전송률 제어부(530)에서 결정된다. 전송률 제어부(530)는 송신 파워 및 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 결정한다.
한편, 송신파워 제어부(510)는 제3티어에 대한 최소 보안 에너지 효율이 보장되도록 송신 파워를 결정할 수 있다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 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 실시예들을 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. 하드웨어 장치는 실시예들의 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 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기의 데이터 전송 방법에 있어서,
    상기 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 단계; 및
    상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 보안 에너지 효율성 모델은, 상기 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따른 상기 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며,
    상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는,
    데이터 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 송신 파워를 결정하는 단계는
    셀룰러 네트워크인 제3티어의 보안 에너지 효율성이 제1임계값 이상이 되는 상기 D2D 송신기의 레퍼런스 송신 파워를 고려하여, 상기 송신 파워를 결정하는
    데이터 전송 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 디코딩 성공 확률은
    상기 D2D 수신기에 대한 SIR이 제2임계값 이상일 확률이며,
    상기 제2임계값은
    상기 D2D 송신기의 데이터 전송률에 따라 결정되는
    데이터 전송 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 디코딩 실패 확률은
    상기 도청장치에 대한 SIR이 제3임계값 이하일 확률이며,
    상기 제3임계값은
    상기 D2D 송신기의, 데이터 보호를 위한 리던던시 데이터의 전송률에 따라 결정되는
    데이터 전송 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 송신 파워를 이용하여, 상기 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 상기 보안 데이터 전송률을 결정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 보안 데이터 전송률은
    상기 데이터 전송률 및 상기 리던던시 데이터 전송률의 차이인
    데이터 전송 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 송신 파워 및 상기 보안 데이터 전송률을 이용하여, 상기 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 상기 리던던시 데이터 전송률을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
  7. 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기의 데이터 전송 방법에 있어서,
    제1티어의 D2D 송신기 밀도를 이용하여, 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되는 상기 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 모델링하는 단계;
    상기 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 단계; 및
    상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는,
    데이터 전송 방법.
  8. 멀티 티어 무선 네트워크에서 보안 에너지 효율성을 위한 D2D 송신기에 있어서,
    상기 D2D 송신기가 포함된 제1티어에 대한 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 제1티어의 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 송신 파워를 결정하는 송신 파워 제어부; 및
    상기 송신 파워, 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 이용하여, 데이터를 전송하는 데이터 전송부를 포함하며,
    상기 보안 에너지 효율성 모델은, 상기 제1티어의 D2D 송신기 밀도에 따 따른 상기 제1티어의 단위 면적당 보안 쓰루풋 및 단위 면적당 소비 전력의 비율로 정의되며,
    상기 단위 면적당 보안 쓰루풋은 상기 제1티어에 포함된 D2D 수신기의 디코딩 성공 확률과 도청장치로 구성된 제2티어에 대한 디코딩 실패 확률에 따라 결정되는,
    D2D 송신기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 송신 파워 및 상기 보안 에너지 효율성 모델을 이용하여, 상기 보안 에너지 효율성이 타겟 값이 되도록, 상기 보안 데이터 전송률 및 리던던시 데이터 전송률을 결정하는 전송률 제어부를 더 포함하며,
    상기 데이터 전송부가 전송하는 데이터는
    상기 보안 데이터 및 상기 리던던시 데이터를 포함하는
    D2D 송신기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 디코딩 성공 확률은, 상기 D2D 수신기에 대한 SIR이 제1임계값 이상일 확률이며,
    상기 제1임계값은, 상기 D2D 송신기의 데이터 전송률에 따라 결정되며,
    상기 디코딩 실패 확률은, 상기 도청장치에 대한 SIR이 제2임계값 이하일 확률이며,
    상기 제2임계값은, 상기 D2D 송신기의 리던던시 데이터의 전송률에 따라 결정되는
    D2D 송신기.
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CN114071763A (zh) * 2021-11-10 2022-02-18 中国联合网络通信集团有限公司 无线网络d2d资源分配方法、装置、基站及介质
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