KR102041012B1 - 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경에서 다중 안테나를 이용한 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR102041012B1 KR1020170049210A KR20170049210A KR102041012B1 KR 102041012 B1 KR102041012 B1 KR 102041012B1 KR 1020170049210 A KR1020170049210 A KR 1020170049210A KR 20170049210 A KR20170049210 A KR 20170049210A KR 102041012 B1 KR102041012 B1 KR 102041012B1
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Abstract

본 발명은 시분할 이중통신(Time Division Duplex; TDD) 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 상향 링크 트레이닝뿐만 아니라 하향 링크 트레이닝을 수행하여 두 단계에서 추정한 채널의 통계적인 특성 변화를 이용하여 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출할 수 있다.

Description

시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경에서 다중 안테나를 이용한 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING PILOT CONTAMINATION ATTACK USING MULTIPLE ANTENNAS IN MU­MIMO TDD}
본 발명은 시분할 이중통신(Time Division Duplex; TDD) 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하기 위한 상향 링크 트레이닝 및 하향 링크 트레이닝을 수행하는 정보 보안 기술에 관한 것이다.
Massive MIMO 시스템은 기지국에서 많은 수의 안테나를 이용하여 하나의 셀 내부에 존재하는 다수의 사용자 단말과 통신을 수행하는 시스템으로, 간단한 선형 필터만으로도 정밀한 빔 성형을 수행함으로써 의도한 사용자 단말에게만 높은 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio; SNR)로 신호를 전달할 수 있는 시스템이다.
즉, Massive MIMO 시스템은 단순한 빔 성형만으로도 사용자 단말 간 간섭의 영향을 크게 줄임으로써 저 복잡도의 송수신 구조를 갖추며 높은 주파수 효율을 제공한다.
일반적으로 Massive MIMO 시스템에서 하향 링크를 통해 각 사용자 단말에게 정보를 전송하기 위해서는 빔 성형을 수행해야 한다. 이 때 기지국에서의 하향 링크 채널 정보(Channel State Information; CSI)가 요구된다.
기지국은 하향 링크 채널 정보를 바탕으로 각 사용자 단말로의 빔 성형 벡터를 생성하며, 수십에서 수백 개에 달하는 기지국 안테나와 각 사용자 단말들 사이의 채널 행렬을 효과적으로 추정하기 위해 채널 상반성(Channel Reciprocity)에 기초하여 채널 추정이 이뤄진다.
채널 상반성을 이용하면 채널의 상관 시간(Coherence Time)이내에는 기지국에서 사용자 단말로의 채널과 그 반대 방향인 사용자 단말에서 기지국으로 향하는 채널이 동일한 채널 응답을 갖는다.
따라서, 시분할 이중 통신 시스템은 다음의 두 과정을 통해 효과적으로 채널을 추정할 수 있다.
첫 번째는 하나의 셀 내의 모든 사용자 단말들은 서로 직교하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 동시에 기지국으로 전송한다.
두 번째로, 기지국은 수신한 트레이닝 시퀀스를 이용해 사용자 단말부터 기지국으로 향하는 채널을 추정한다.
이에 따른 채널 상반성에 의해 상향 링크 채널과 하향 링크 채널의 채널 응답은 동일하므로 기지국은 각 사용자 단말로의 채널을 추정할 수 있다.
이를 기반으로 기지국은 빔 성형을 수행함으로써 Massive MIMO 시스템은 의도된 사용자 단말의 신호 대 잡음 비를 향상시킬 수 있다. 일반적으로 기지국은 사용자 단말보다 훨씬 많은 수의 안테나를 가지므로, 이러한 과정을 통해서 채널 추정하는 것이 매우 효율적이다.
그러나, 상술한 기지국의 채널 추정과정에서 공격자(공격자 단말)가 악의적인 목적으로 기지국의 채널 추정을 제어할 수 있다. 예를 들면, 공격자는 Massive MIMO 시스템의 서비스를 방해할 수 있고, 도청자에 의해 정보 수신이 용이하도록 제어하여 치명적인 결과를 초래할 수 있다.
이러한 공격은 학계에서 파일럿 오염 공격으로 명명 되었고, Massive MIMO가 주목을 받으면서 문제가 제기 되어왔으나 이에 대한 해결책은 아직 부족한 실정이다.
구체적으로, 파일럿 오염 공격은 기지국이 각 사용자 단말로의 빔 성형 벡터를 만드는 과정을 공격자가 의도하는 방향으로 제어하는 형태의 공격이다. 공격자는 파일럿 오염 공격을 통해서 빔 성형 벡터를 제어하여 도청하고자 하는 대상 사용자(또는 적법 사용자)의 수신 신호 감도를 의도하는 방향으로 조정할 수 있다.
이에, 본 명세서에서는 파일럿 오염 공격을 기지국에서 조기에 검출하는 기술을 제안한다.
한국공개특허 제10­2015­0061797호(2015.06.05 공개), "시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템"
본 발명은 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경 아래, 기지국에서 상향 링크 트레이닝과 하향 링크 트레이닝을 이용하여 파일럿 오염 공격에 의해 발생하는 적법한 사용자와의 추정 채널 오차를 이용하여 조기에 검출할 수 있는 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경 아래, 상향 링크 트레이닝뿐만 아니라 하향 링크 트레이닝을 수행하여 두 단계에서 추정한 채널의 통계적인 특성 변화를 이용하여 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출할 수 있는 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 다중 안테나를 가진 공격자가 빔 성형을 수행하여 파일럿 오염 공격을 시도하는 경우, 조기에 이를 검출할 수 있는 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 방법은 상향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 단계, 하향 링크 트레이닝 과정에서, 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계 및 상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 적법 채널 정보를 추정하는 단계는 상기 수신된 신호에 상기 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 사용자 단말의 하향 링크 채널을 추정하기 위한 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계 및 상기 획득된 적법 사용자 단말의 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 적법 채널 및 상기 적법 채널의 추정 오차를 포함하는 상기 적법 채널 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기지국 채널 정보를 수신하는 단계는 상기 하향 링크 트레이닝 과정에서 상기 복수의 사용자 단말들 각각으로 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 전송하는 단계 및 상기 복수의 사용자 단말들로부터 상기 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 사용자 단말들은 상기 기지국으로부터 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하고, 상기 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하며, 상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 상기 기지국 채널 정보를 추정할 수 있다.
상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계는 상기 상향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 상기 적법 채널 정보와, 상기 하향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 상기 기지국 채널 정보를 기반으로 파일럿 오염 공격 검출을 위한 파일럿 충분 통계량을 생성하는 단계, 상기 생성된 파일럿 충분 통계량과 미리 설정된 변수값과 비교하는 단계 및 상기 비교 결과, 상기 파일럿 충분 통계량이 상기 미리 설정된 변수값 보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재한다는 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계는 상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력이, 상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재하지 않은 경우의 상기 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력보다 높은 특성을 이용하여 상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 복수의 사용자 단말들로부터 수신된 신호는 상기 복수의 사용자 단말들 각각의 상향 링크 전송 전력, 상기 복수의 사용자 단말들 각각의 대규모 페이딩 요소(Large Scale Fading Factor) 및 복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)의 검출을 위한 링크 트레이닝 방법은 하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 단계 및 상기 추정된 기지국 채널 정보를 상기 기지국으로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말의 동작 방법은 상향 링크 트레이닝 과정에서 상기 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기지국 채널 정보를 추정하는 단계는 상기 수신된 신호에 상기 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계, 상기 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하는 단계 및 상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 상기 기지국 채널 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템은 상향 링크 트레이닝 과정에서 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 하향 링크 트레이닝 과정에서 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 수신부, 상기 수신된 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 추정부 및 상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)의 검출을 위한 시스템은 하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 추정부 및 상기 추정된 기지국 채널 정보, 및 상향 링크 트레이닝 과정에서 상기 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신하는 송신부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경 아래, 기지국에서 상향 링크 트레이닝과 하향 링크 트레이닝을 이용하여 파일럿 오염 공격에 의해 발생하는 적법한 사용자와의 추정 채널 오차를 이용하여 조기에 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 환경 아래, 상향 링크 트레이닝뿐만 아니라 하향 링크 트레이닝을 수행하여 두 단계에서 추정한 채널의 통계적인 특성 변화를 이용하여 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다중 안테나를 가진 공격자가 빔 성형을 수행하여 파일럿 오염 공격을 시도하는 경우, 조기에 이를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 공격자가 파일럿 오염 공격을 수행할 때 사용하는 공격자의 안테나 개수에 무관하게 공격 시도를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 파일럿 오염 공격의 존재를 높은 확률로 검출할 수 있으며, 이를 통해 통신 시스템의 보안 유지를 위한 추가적인 후속 조치를 용이하게 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 오염 공격 검출이 수행되는 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말의 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 검출의 성능 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서의 다중 안테나 시분할 이중 통신 시스템에서, 기지국은 다수의 안테나를 이용하는 빔 성형(Beam­forming)을 통해서 의도된 수신자(사용자 단말)로부터 높은 수신 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio; SNR)로 정보를 수신하고, 네트워크 내의 의도되지 않은 다른 수신자로부터 낮은 수신 신호 대 잡음 비로 수신하도록 한다.
이를 위해서는 빔 성형을 위한 기지국과 의도된 수신자 사이의 채널 정보(Channel State Information; CSI) 획득이 정보 송신 단계에 선행되어야 한다.
채널 상반 정리(Channel Reciprocity Theorem)에 의해 시분할 이중 통신 시스템은 상향 링크 트레이닝 과정을 통해서 채널의 상관 시간(Coherence Time) 이내의 하향 링크 채널을 추정할 수 있으며, 반대로 하향 링크 트레이닝 과정을 통해서 상향 링크 채널을 추정할 수 있다.
다중 안테나 시스템에서는 다수의 안테나가 형성하는 채널 벡터의 효과적인 추정을 위해 상향 링크 트레이닝 과정을 통한 하향 링크 채널 추정 과정이 필수적이다.
하향 링크 채널 추정 단계에서, 적법한 수신자로 향하는 채널 추정을 변조하여 도청자(공격자 단말)의 채널 방향으로 빔 성형 벡터의 방향을 전환하는 공격을 파일럿 오염 공격이라 한다.
도청자는 파일럿 오염 공격을 통해서 도청하고자 하는 신호에 대한 수신 SNR을 크게 높일 수 있으며, 반면에 도청당하는 수신자(적법 사용자 단말)의 수신 SNR을 낮출 수 있다.
이에 따른, 본 명세서에서는 다중 안테나를 가진 도청자가 파일럿 오염 공격을 시도하는 경우, 기지국과 적법한 사용자가 추정한 채널의 변화에 기반하여 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 오염 공격 검출이 수행되는 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 오염 공격 검출이 수행되는 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 시스템은 하나의 기지국(110)과 복수의 사용자 단말들(120)을 포함하는 통신 네트워크에서 수행되는 것을 전제로 설명한다. 이하, 파일럿 오염 공격 검출이 수행되는 시분할 이중통신 다중 사용자 다중 안테나 시스템으로 기재하기로 한다. 또한, 시스템은 하나의 기지국(110)과 복수의 사용자 단말들(120)이 포함되는 통신 네트워크 외에, 복수의 기지국 및 복수의 사용자 단말이 포함되는 통신 네트워크에도 적용 가능할 수 있다.
시스템은 NA개의 안테나를 갖는 기지국(110) 및 통신 서비스를 제공하고자 하는 대상인 단일 안테나를 갖는 K개의 사용자 단말들(120)을 포함한다. 이때, NE개의 안테나를 갖는 공격자 단말(130)은
Figure 112017037401973-pat00001
번째 적법 사용자 단말(공격자가 도청하고자 하는 사용자 단말, 131)의 신호 도청을 용이하게 하기 위하여 파일럿 오염 공격을 수행한다.
이 때, 기지국(110)은 복수의 사용자 단말들(120)로 하향 링크 정보를 전송함으로써, 통신 서비스를 K개의 사용자 단말들(120)로 제공할 수 있다. 여기서, 하향 링크 정보 전송은 상향 링크 트레이닝 과정 및 하향 링크 트레이닝 과정을 통하여 수행될 수 있다.
상향 링크 트레이닝 과정에서, K개의 사용자 단말들(120)은 길이 Nu의 서로 직교(Orthogonal)하는 K개의 상향 링크 트레이닝 시퀀스
Figure 112017037401973-pat00002
를 동시에 기지국(110)으로 송신할 수 있다. 이 때, 기지국(110)이 K개의 사용자 단말들(120)로부터 수신하는 신호인
Figure 112017037401973-pat00003
행렬 Y는 하기의 [수식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure 112017037401973-pat00004
여기서,
Figure 112017037401973-pat00005
는 K개의 사용자 단말들(120) 각각의 상향 링크 전송 전력일 수 있고,
Figure 112017037401973-pat00006
는 K번째 사용자 단말(120K)의 대규모 페이딩 요소(Large Scale Fading Factor)로서, 상향 링크 전송 전력 및 대규모 페이딩 요소는 기지국(110)과 통신하는 모든 사용자 단말들(120)에게 공개된 정보일 수 있다. 또한, U는
Figure 112017037401973-pat00007
복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음 행렬로서, 행렬의 각 원소는 서로 독립적이고, 평균값 0에 분산값 1을 가질 수 있다. 또한, 행렬의 각 원소는
Figure 112017037401973-pat00008
를 따른다고 가정한다.
또한, 소규모 페이딩 채널
Figure 112017037401973-pat00009
은 복소 가우시안 분포를 따르고, 서로 다른 사용자 단말들(120) 간의 채널은 서로 동일하지만 독립적인 분포이며,
Figure 112017037401973-pat00010
를 따른다고 가정한다.
본 발명의 일 실시예에서는 공격자 단말(130)이
Figure 112017037401973-pat00011
번째 사용자 단말인, 적어도 하나의 사용자 단말(또는 적법 사용자 단말, 131)에 대해 파일럿 오염 공격을 수행하는 것을 전제로 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법을 설명하기로 한다.
공격자 단말(130)은 적법 사용자 단말(131)이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 모사하여, 적법 사용자 단말(131)이 전송하는 시점과 동일한 시점에 모사한 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 기지국(110)으로 전송할 수 있다. 이에 기지국(110)은 K개의 사용자 단말들(120)로부터 하기의 [수식 2]와 같은 신호인 행렬 Y를 수신할 수 있다.
[수식 2]
Figure 112017037401973-pat00012
여기서,
Figure 112017037401973-pat00013
는 공격자 단말(130)의 대규모 페이딩 요소일 수 있으며,
Figure 112017037401973-pat00014
는 공격자 단말(130)의 상향 링크 전송 전력일 수 있다. 이 때, 공격자 단말(130)은 시스템에 비협조적이므로, 공격자 단말(130)의 상향 링크 전송 전력 및 대규모 페이딩 요소와, 공격자 단말(130)의 파일럿 오염 공격 시의 빔 성형 벡터(
Figure 112017037401973-pat00015
)는 기지국(110) 및 기지국(110)과 통신하는 모든 사용자 단말들(120)에게 공개되지 않은 정보로 가정한다.
상향 링크 트레이닝 과정에서, 기지국(110)은 [수식 2]와 같은 수신된 신호인 행렬 Y를 이용하여 적법 사용자 단말(131)에 대응하는 채널 추정 정보를 추출할 수 있다.
예를 들면, 기지국(110)은 [수식 2]의 행렬 Y에 각 사용자 단말에 대한 적법 트레이닝 시퀀스의
Figure 112017037401973-pat00016
를 곱함으로써, 적법 사용자 단말(131)의 하향 링크 채널 추정에 요구되는 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)를 산출할 수 있다. 여기서,
Figure 112017037401973-pat00017
는 에르미트(Hermitian) 연산이며, 켤레(Conjugate) 전치(Transpose) 연산을 의미할 수 있다.
이 때, 기지국(110)이
Figure 112017037401973-pat00018
번째 적법 사용자 단말(131)로의 채널
Figure 112017037401973-pat00019
를 추정하기 위한 상기 적법 사용자 단말의 충분 통계량
Figure 112017037401973-pat00020
은 하기의 [수식 3]과 같다.
[수식 3]
Figure 112017037401973-pat00021
여기서,
Figure 112017037401973-pat00022
를 의미하고,
Figure 112017037401973-pat00023
는
Figure 112017037401973-pat00024
복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음 벡터를 의미하며, 모든 원소는
Figure 112017037401973-pat00025
를 따른다고 가정한다.
이후 상향 링크 트레이닝 과정에서, 기지국(110)은 적법 사용자 단말의 충분 통계량
Figure 112017037401973-pat00026
을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE)를 이용하여 적법 채널 정보를 추정하며, 추정한 적법 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00027
는 하기의 [수식 4]와 같다.
[수식 4]
Figure 112017037401973-pat00028
여기서, 기지국(110)이 추정한 적법 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00029
의 추정 오차는
Figure 112017037401973-pat00030
로 나타내며, 최소 평균 제곱 오차 추정의 특성에 따라
Figure 112017037401973-pat00031
의 모든 원소는
Figure 112017037401973-pat00032
를 따른다고 가정한다. 여기서
Figure 112017037401973-pat00033
이다.
하향 링크 트레이닝 과정에서, 기지국(110)은 상향 링크 트레이닝 과정과 반대로 길이 Nd의 하향 링크 트레이닝 시퀀스
Figure 112017037401973-pat00034
를 복수의 사용자 단말들(120)로 송신할 수 있다. 이 때, 기지국(110)은 NA개의 안테나를 포함하고 있기 때문에 첫 번째 안테나부터 마지막 NA번째 안테나까지 순서대로 길이 Nd의 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 전송할 수 있다. 기지국(110)의 i번째 안테나가 복수의 사용자 단말들(120)로 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 전송하였을 경우,
Figure 112017037401973-pat00035
번째 사용자 단말인, 적어도 하나의 사용자 단말(또는 적법 사용자 단말, 131)이 수신하는
Figure 112017037401973-pat00036
벡터
Figure 112017037401973-pat00037
는 하기의 [수식 5]와 같다.
[수식 5]
Figure 112017037401973-pat00038
여기서,
Figure 112017037401973-pat00039
는 기지국(110)의 하향 링크 전송 전력일 수 있고,
Figure 112017037401973-pat00040
는
Figure 112017037401973-pat00041
복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음 벡터로서, 모든 원소는
Figure 112017037401973-pat00042
를 따른다고 가정한다.
기지국(110)이 마지막 NA번째 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 전송한 후, 복수의 사용자 단말들(120) 각각은 전술한 [수식 5]에 기지국 트레이닝 시퀀스의
Figure 112017037401973-pat00043
를 곱함으로써, 채널 추정에 요구되는 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 산출할 수 있다.
이 때,
Figure 112017037401973-pat00044
번째 적법 사용자 단말(131)이 기지국(110)의 i번째 안테나와의 채널
Figure 112017037401973-pat00045
을 추정하기 위한 상기 기지국 충분 통계량
Figure 112017037401973-pat00046
은 하기의 [수식 6]과 같다.
[수식 6]
Figure 112017037401973-pat00047
여기서,
Figure 112017037401973-pat00048
를 의미하고,
Figure 112017037401973-pat00049
는 복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음 벡터를 의미하며, 모든 원소는
Figure 112017037401973-pat00050
를 따른다고 가정한다.
이후 하향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들(120) 각각은 기지국 충분 통계량
Figure 112017037401973-pat00051
을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE)를 이용하여 추정한 기지국(110)의 i번째 안테나 채널 정보를 추정하며, 추정한 안테나 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00052
는 하기의 [수식 7]과 같다.
[수식 7]
Figure 112017037401973-pat00053
여기서, 적법 사용자 단말(131)이 추정한 기지국 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00054
를 나타내며, 상기 T는 전치(Transpose) 연산을 의미할 수 있다.
하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국(110)이 추정한 적법 사용자 단말(131)의 기지국 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00055
의 추정 오차는
Figure 112017037401973-pat00056
로 나타내며, 최소 평균 제곱 오차 추정의 특성에 따라
Figure 112017037401973-pat00057
의 모든 원소는
Figure 112017037401973-pat00058
를 따른다고 가정한다. 여기서
Figure 112017037401973-pat00059
이다.
이하, 위에서 상술한 시분할 이동통신 다중 사용자 다중 안테나 환경에서, 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법을 기재하기로 한다. 구체적으로, 도 2를 참조하여, 기지국에서
Figure 112017037401973-pat00060
번째 적법 사용자 단말(131)에 대한 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법을 기재하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법은 단계 210의 상향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정한다.
예를 들면, 단계 210은 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 사용자 단말의 하향 링크 채널을 추정하기 위한 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계(미도시) 및 획득된 적법 사용자 단말의 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 적법 채널 및 적법 채널의 추정 오차를 포함하는 적법 채널 정보를 추정하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.
이 때, 수신된 신호는 [수식 2]와 같이 표현될 수 있고, 적법 사용자 단말의 충분 통계량은 [수식 3]과 같이 표현될 수 있으며, 적법 채널 정보는 [수식 4]와 같이 표현될 수 있다.
실시예에 따라서, 복수의 사용자 단말들로부터 수신된 신호는 복수의 사용자 단말들 각각의 상향 링크 전송 전력, 복수의 사용자 단말들 각각의 대규모 페이딩 요소(Large Scale Fading Factor) 및 복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음을 포함할 수 있다.
단계 220의 하향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신한다.
예를 들면, 단계 220은 하향 링크 트레이닝 과정에서 복수의 사용자 단말들 각각으로 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 전송하는 단계(미도시) 및 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 복수의 사용자 단말들은 기지국으로부터 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하고, 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정할 수 있다.
이후, 복수의 사용자 단말들은 상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 기지국 채널 정보를 추정할 수 있다.
이 때, 기지국으로부터 수신된 신호는 [수식 5]와 같이 표현될 수 있고, 기지국 충분 통계량은 [수식 6]과 같이 표현될 수 있으며, 안테나 채널 정보는 [수식 7]과 같이 표현될 수 있다.
단계 230에서 수신된 기지국 채널 정보와, 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단한다.
예를 들면, 상향 링크 트레이닝 과정에서 공격자 단말에 의해 파일럿 오염 공격이 수행되지 않은 경우를
Figure 112017037401973-pat00061
라 하고, 파일럿 오염 공격이 수행된 경우를
Figure 112017037401973-pat00062
라 가정하면, 기지국에서의 상향 링크 트레이닝 단계(단계 210)에서 추정한 적법 채널 정보는 하기의 [수식 8]과 같다.
[수식 8]
Figure 112017037401973-pat00063
여기서, 기지국은 파일럿 오염 공격에 의해 발생한 오차를
Figure 112017037401973-pat00064
로 나타낼 수 있다.
즉, 최소 평균 제곱 오차 추정의 특성에 따라, 단계 210(상향 링크 트레이닝 단계)에서 추정한 적법 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00065
의 분포는
Figure 112017037401973-pat00066
인 경우
Figure 112017037401973-pat00067
를 나타내고,
Figure 112017037401973-pat00068
인 경우
Figure 112017037401973-pat00069
를 나타낼 수 있다.
또한, 기지국은 단계 220(하향 링크 트레이닝 단계)에서 추정한 기지국 채널 정보
Figure 112017037401973-pat00070
를 수신하여 파일럿 오염 공격 검출을 위한 파일럿 충분 통계량 T를 산출할 수 있다. 상기 파일럿 충분 통계량은 하기의 [수식 9]와 같다.
[수식 9]
Figure 112017037401973-pat00071
여기서,
Figure 112017037401973-pat00072
는 미리 설정된 변수값인 검출 경계 값을 의미한다.
이에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법의 단계 230은 파일럿 충분 통계량이 미리 설정된 변수값(검출 경계 값)보다 큰 값인 경우, 적법 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재한다고 판단할 수 있다.
반면, 파일럿 충분 통계량이 미리 설정된 변수값(검출 경계 값)보다 낮은 값인 경우, 적법 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다.
실시예에 따라서, 단계 230은 적어도 하나의 사용자 단말(적법 사용자 단말)에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력이, 적어도 하나의 사용자 단말(적법 사용자 단말)에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하지 않은 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력보다 높은 특성을 이용하여 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 검출 경계 값
Figure 112017037401973-pat00073
은 오 경보 확률(False Alarm Probability)를 원하는 값으로 고정시키기 위한 기지국의 시스템 변수일 수 있으며, [수식 8]과 마찬가지로 검출을 위한 파일럿 충분 통계량 T는 하기의 [수식 10]과 같은 분포를 가질 수 있다.
[수식 10]
Figure 112017037401973-pat00074
여기서,
Figure 112017037401973-pat00075
의미하고,
Figure 112017037401973-pat00076
의미한다.
상기
Figure 112017037401973-pat00077
는 모양 매개변수(Shape Parameter)가 k이고, 크기 매개변수(Scale Parameter)가
Figure 112017037401973-pat00078
인 감마(Gamma) 분포를 나타낸다.
또한, 상기
Figure 112017037401973-pat00079
는 자유도(Degrees of Freedom)가 k이고, 비중심 변수(Non­centrality Parameter)가
Figure 112017037401973-pat00080
인 비중심 카이제곱 분포(Non­central Chi­squared) 분포를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법은 공격자 단말의 빔 성형 벡터
Figure 112017037401973-pat00081
에 무관하므로, 공격자 단말의 안테나 개수에 무관하게 파일럿 오염 공격을 검출할 수 있으며, 파일럿 오염 공격에 의해 발생한 오차
Figure 112017037401973-pat00082
가 증가할수록 공격을 검출할 확률이 증가할 수 있다.
또한, 파일럿 오염 공격 시, 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법은 추정 채널의 평균 전력이 0이 아님을 이용하여 검출하기 때문에 공격자 단말이 상향 링크 트레이닝 단계 및 하향 링크 트레이닝 단계 모두에서 공격하더라도 검출이 가능하다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법은 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우, 이에 대한 후속 조치를 실행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말의 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)의 검출을 위한 링크 트레이닝 방법을 나타낸다.
단계 310의 하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신한다. 이 때, 기지국으로부터 수신된 신호는 [수식 5]와 같이 표현될 수 있다.
단계 320에서 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정한다.
예를 들면, 단계 320은 수신된 신호에 상기 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계(미도시), 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하는 단계(미도시) 및 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.
이 때, 기지국 충분 통계량은 [수식 6]과 같이 표현될 수 있으며, 안테나 채널 정보는 [수식 7]과 같이 표현될 수 있다.
이후, 단계 330에서 추정된 기지국 채널 정보를 상기 기지국으로 송신한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격의 검출을 위한 링크 트레이닝 방법은 상향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 상향 링크 트레이닝 시퀀스는 [수식 1]과 같이 표현될 수 있다.
실시예에 따라서, 상향 링크 트레이닝 과정은 하향 링크 트레이닝 과정보다 선행될 수 있으므로 상향 링크 트레이닝 과정 및 하향 링크 트레이닝 과정의 순서는 한정하지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 검출의 성능 결과를 그래프로 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 4는 파일럿 오염 공격에 의해 발생하는 오차를 증가시키면서 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법을 이용한 검출의 성능 확률을 그래프로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 원 모양 실선인 그래프들(a, c)은 상향 링크 트레이닝 시퀀스(Nu)를 나타내고, 네모 모양 실선인 그래프들(b, d)은 하향 링크 트레이닝 시퀀스(Nd)를 나타낸다.
제안하는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법의 경우, 채널 추정을 기반으로 하기 때문에, 상향 링크 트레이닝 시퀀스 및 하향 링크 트레이닝 시퀀스의 길이가 50에서 100으로 증가할수록 검출 확률(The detection probability)이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 오 경보 확률
Figure 112017037401973-pat00083
이 높을수록 검출 확률의 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템(500)은 수신부(510), 추정부(520) 및 판단부(530)를 포함한다.
수신부(510)는 상향 링크 트레이닝 과정에서 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 하향 링크 트레이닝 과정에서 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신한다.
상기 복수의 사용자 단말들로부터 수신된 신호는 복수의 사용자 단말들 각각의 상향 링크 전송 전력, 복수의 사용자 단말들 각각의 대규모 페이딩 요소(Large Scale Fading Factor) 및 복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음을 포함할 수 있다.
추정부(520)는 수신된 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정한다.
예를 들면, 추정부(520)는 수신된 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 사용자 단말의 하향 링크 채널을 추정하기 위한 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득할 수 있다.
이후, 추정부(520)는 획득된 적법 사용자 단말의 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 적법 채널 및 상기 적법 채널의 추정 오차를 포함하는 적법 채널 정보를 추정할 수 있다.
판단부(530)는 수신된 기지국 채널 정보와, 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단한다.
예를 들면, 판단부(530)는 상향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 적법 채널 정보와, 하향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 기지국 채널 정보를 기반으로 파일럿 오염 공격 검출을 위한 파일럿 충분 통계량을 생성할 수 있다.
이후, 판단부(530)는 생성된 파일럿 충분 통계량과 미리 설정된 변수값을 비교하고, 파일럿 충분 통계량이 미리 설정된 변수값(검출 경계 값)보다 큰 값인 경우, 적어도 하나의 사용자 단말(적법 사용자 단말)에 대한 파일럿 오염 공격이 존재한다는 판단 결과를 제공(output)할 수 있다.
반편, 판단부(530)는 파일럿 충분 통계량이 미리 설정된 변수값보다 낮은 값인 경우, 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하지 않는다고 판단 결과를 제공(output)할 수 있다.
실시예에 따라서, 판단부(530)는 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력이, 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하지 않은 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력보다 높은 특성을 이용하여 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 시스템(500)은 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우, 이에 대한 후속 조치를 실행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)의 검출을 위한 시스템(600)은 수신부(610), 추정부(620) 및 송신부(630)를 포함한다.
수신부(610)는 하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신한다.
추정부(620)는 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 추정한다.
예를 들면, 추정부(620)는 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)를 획득하고, 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정할 수 있다.
이후, 추정부(620)는 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 기지국 채널 정보를 추정할 수 있다.
송신부(630)는 추정된 기지국 채널 정보, 및 상향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 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), CD­ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기­광 매체(magneto­optical 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 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 기지국
120: 사용자 단말
130: 공격자 단말
131: 적법 사용자 단말

Claims (13)

  1. 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 방법에 있어서,
    상향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 단계;
    하향 링크 트레이닝 과정에서, 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 적법 채널 정보를 추정하는 단계는
    상기 수신된 신호에 상기 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 사용자 단말의 하향 링크 채널을 추정하기 위한 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 적법 사용자 단말의 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean-Square-Error; MMSE) 추정을 이용하여 적법 채널 및 상기 적법 채널의 추정 오차를 포함하는 상기 적법 채널 정보를 추정하는 단계를 포함하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기지국 채널 정보를 수신하는 단계는
    상기 하향 링크 트레이닝 과정에서 상기 복수의 사용자 단말들 각각으로 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 전송하는 단계; 및
    상기 복수의 사용자 단말들로부터 상기 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계
    를 포함하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  4. 다중 사용자 다중 안테나(Multi-User Multiple Input Multiple Output; MU-MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 방법에 있어서,
    상향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 단계;
    하향 링크 트레이닝 과정에서, 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 기지국 채널 정보를 수신하는 단계는
    상기 하향 링크 트레이닝 과정에서 상기 복수의 사용자 단말들 각각으로 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 전송하는 단계; 및
    상기 복수의 사용자 단말들로부터 상기 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계를 포함하며,
    상기 복수의 사용자 단말들은
    상기 기지국으로부터 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하고, 상기 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean­Square­Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하며, 상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 상기 기지국 채널 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  5. 다중 사용자 다중 안테나(Multi-User Multiple Input Multiple Output; MU-MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 방법에 있어서,
    상향 링크 트레이닝 과정에서, 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 단계;
    하향 링크 트레이닝 과정에서, 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계는
    상기 상향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 상기 적법 채널 정보와, 상기 하향 링크 트레이닝 과정에서 추정된 상기 기지국 채널 정보를 기반으로 파일럿 오염 공격 검출을 위한 파일럿 충분 통계량을 생성하는 단계;
    상기 생성된 파일럿 충분 통계량과 미리 설정된 변수값과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 상기 파일럿 충분 통계량이 상기 미리 설정된 변수값보다 큰 경우, 상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재한다고 판단하는 단계
    를 포함하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 단계는
    상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재하는 경우의 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력이, 상기 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 상기 파일럿 오염 공격이 존재하지 않은 경우의 상기 상향 링크 트레이닝 시퀀스 전력보다 높은 특성을 이용하여 상기 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 사용자 단말들로부터 수신된 신호는
    상기 복수의 사용자 단말들 각각의 상향 링크 전송 전력, 상기 복수의 사용자 단말들 각각의 대규모 페이딩 요소(Large Scale Fading Factor) 및 복소 가우시안(Complex Gaussian) 잡음을 포함하는 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  8. 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 방법에 있어서,
    하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 기지국 채널 정보를 상기 기지국으로 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 기지국 채널 정보를 추정하는 단계는
    상기 수신된 신호에 상기 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하는 단계;
    상기 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean-Square-Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 상기 기지국 채널 정보를 추정하는 단계를 포함하는 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상향 링크 트레이닝 과정에서 상기 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신하는 단계
    를 더 포함하는 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항, 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 사용자 다중 안테나 환경의 통신 시스템은 시분할 이중통신(Time Division Duplex; TDD) 기법을 사용하는 파일럿 오염 공격을 검출하는 방법.
  12. 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 기지국에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템에 있어서,
    상향 링크 트레이닝 과정에서 복수의 사용자 단말들로부터 복수의 사용자 단말들 각각이 전송하는 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하고, 하향 링크 트레이닝 과정에서 상기 복수의 사용자 단말들로부터 추정된 기지국 채널 정보를 수신하는 수신부;
    상기 수신된 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호에 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 채널 정보를 추정하는 추정부; 및
    상기 수신된 기지국 채널 정보와, 상기 추정된 적법 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 사용자 단말에 대한 파일럿 오염 공격이 존재하는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하되,
    상기 추정부는
    상기 수신된 신호에 상기 적법 트레이닝 시퀀스를 적용하여 적법 사용자 단말의 하향 링크 채널을 추정하기 위한 적법 사용자 단말의 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하고, 상기 획득된 적법 사용자 단말의 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean-Square-Error; MMSE) 추정을 이용하여 적법 채널 및 상기 적법 채널의 추정 오차를 포함하는 상기 적법 채널 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는, 기지국에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 시스템.
  13. 다중 사용자 다중 안테나(Multi­User Multiple Input Multiple Output; MU­MIMO) 환경 아래, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격(Pilot Contamination Attack)을 검출하는 시스템에 있어서,
    하향 링크 트레이닝 과정에서 기지국으로부터 하향 링크 트레이닝 시퀀스를 포함하는 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신된 신호에 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 채널 정보를 추정하는 추정부; 및
    상기 추정된 기지국 채널 정보, 및 상향 링크 트레이닝 과정에서 상기 기지국으로 상향 링크 트레이닝 시퀀스를 송신하는 송신부를 포함하되,
    상기 추정부는
    상기 수신된 신호에 상기 기지국 트레이닝 시퀀스를 적용하여 기지국 충분 통계량(Sufficient Statistics)을 획득하고, 상기 획득된 기지국 충분 통계량을 기반으로 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean-Square-Error; MMSE) 추정을 이용하여 안테나 채널 정보를 추정하며, 상기 추정된 안테나 채널 정보에 벡터 전치(Transpose) 연산을 적용하여 상기 기지국 채널 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는, 사용자 단말에서 파일럿 오염 공격을 검출하는 시스템.
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