KR102282744B1 - Mu-miso noma 시스템에서 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법 - Google Patents

Mu-miso noma 시스템에서 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MU-MISO NOMA 시스템에서 기회주의적 스케쥴링 기법을 통하여 악의적 사용자(도청자)로부터 데이터를 보호할 수 있도록 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법은 복수(M)의 안테나(antenna)를 갖는 베이스 스테이션(Base station)과, 상기 베이스 스테이션과 데이터를 송수신하는 복수(N)의 가까운 사용자(cell-center user) 및 복수(K)의 먼 사용자(cell-edge user)를 갖는 MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템에서, 상기 베이스 스테이션은 도청자로부터 데이터를 보호하기 위해, 채널 상태를 바탕으로 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 기회주의적 스케쥴링 기법(Opportunistic Scheduling Scheme)을 통해 물리계층보안(Physical Layer Security)을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

MU-MISO NOMA 시스템에서 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법 {Opportunistic scheduling method to improve the Physical-Layer Security in MU-MISO NOMA systems}
본 발명은 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법에 관한 것으로, 특히 MU-MISO NOMA 시스템에서 기회주의적 스케쥴링 기법을 통하여 악의적 사용자(도청자)로부터 데이터를 보호할 수 있도록 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법에 관한 것이다.
MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템은 제한된 주파수를 효과적으로 사용하기 위한 방법으로, 기존의 직교식 다중접속과 달리 슬롯(주파수, 시간 등)을 여러 사용자에게 다른 전송파워를 할당하여 동시에 전송하는 비직교식 다중접속을 이용한다. 따라서 한번의 전송으로 다양한 사용자들에게 데이터를 전송할 수 있게 된다.
하지만, 이러한 MU-MISO NOMA 시스템에서 다수의 사용자들에게 동시에 데이터를 전송하기 때문에, 악의적 사용자(도청자)가 한번 데이터 복호화에 성공하면 다수의 데이터가 동시에 노출된다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0033251호 (2019.03.29. 공개)
본 발명은 상기 종래 MU-MISO NOMA 시스템의 보안 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 MU-MISO NOMA 시스템에서 기회주의적 스케쥴링 기법을 이용한 물리계층보안을 통해 악의적 사용자(도청자)로부터 데이터를 보호할 수 있도록 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법은 복수(M)의 안테나(antenna)를 갖는 베이스 스테이션(Base station)과, 상기 베이스 스테이션과 데이터를 송수신하는 복수(N)의 가까운 사용자(cell-center user) 및 복수(K)의 먼 사용자(cell-edge user)를 갖는 MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템에서, 상기 베이스 스테이션은 도청자로부터 데이터를 보호하기 위해, 채널 상태를 바탕으로 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 기회주의적 스케쥴링 기법(Opportunistic Scheduling Scheme)을 통해 물리계층보안(Physical Layer Security)을 수행하게 된다.
여기서, 상기 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법은 상기 베이스 스테이션에서 데이터를 무선으로 송출한 후, 가까운 사용자, 먼 사용자, 도청자로부터 채널 효율을 포함하는 채널 정보에 대한 결과를 응답받는 단계와; 상기 베이스 스테이션에서 수신받은 각 채널의 채널 정보를 바탕으로 복수(N)의 안테나 중 어느 하나를 전송 안테나를 선택하는 단계와; 상기 베이스 스테이션에서 선택된 전송 안테나의 보안채널용량을 최대로 하는 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, MU-MISO NOMA 시스템에서 기회주의적 스케쥴링 기법을 사용하여 물리계층보안을 해결했을 때의 보안실패확률(Secrecy Outage Probability: SOP)를 제공함으로써 누구나 손쉽게 보안실패확률을 얻을 수 있으며, 낮은 보안실패확률에 따라 보안 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 기법이 적용된 MU-MISO NOMA 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 베이스 스테이션 안테나 수가 증가함에 따른 보안실패확률의 변화 일례,
도 3은 본 발명에 따른 가까운 사용자가 증가함에 따른 가까운 사용자의 보안실패확률 변화 일례,
도 4는 본 발명에 따른 먼 사용자가 증가함에 따른 가까운 사용자의 보안실패확률 변화 일례,
도 5는 본 발명에 따른 전송파워 변화에 따른 보안실패확률 변화 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 기법이 적용된 MU-MISO NOMA 시스템의 개념도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템에는 M개의 안테나(antenna)를 가지고 있는 베이스 스테이션(Bast staion S)과, N개의 가까운 사용자(Cell-center users) 및 K개의 먼 사용자(Cell-edge users)가 존재한다. 또한, MU-MISO NOMA 시스템에는 L개의 악의적 사용자인 도청자(eavesdroppers)도 존재할 수 있다.
상기 베이스 스테이션은 안테나를 통해 가까운 사용자 및 먼 사용자에게 데이터를 전송하게 되는데, 데이터 전송시 가까운 사용자는 채널 효율이 좋기 때문에 먼 사용자보다 전송 파워를 낮게 할당하여 전송한다. 즉, 가까운 사용자의 채널 효율이
Figure 112020031970882-pat00001
이고, 먼 사용자의 채널효율이
Figure 112020031970882-pat00002
이라면,
Figure 112020031970882-pat00003
이기 때문에, 할당되는 전송 파워는
Figure 112020031970882-pat00004
이 된다. 여기서,
Figure 112020031970882-pat00005
는 할당되는 가까운 사용자의 전송 파워 효율을,
Figure 112020031970882-pat00006
는 할당되는 먼 사용자 전송 파워 효율로
Figure 112020031970882-pat00007
이 된다.
따라서, 베이스 스테이션의 i번째 안테나를 통해 전송한 신호를 j번째 가까운 사용자가 수신한 경우, 수신 신호(
Figure 112020031970882-pat00008
)는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112020031970882-pat00009
여기서,
Figure 112020031970882-pat00010
와
Figure 112020031970882-pat00011
는 j번째 가까운 사용자와 k번째 먼 사용자를 위하여 할당되는 전송 파워 효율(power allocation coefficient)이다. 또한,
Figure 112020031970882-pat00012
는 베이스 스테이션에서 메시지를 전송하기 위한 전송 파워이고,
Figure 112020031970882-pat00013
는 베이스 스테이션에서 i번째 안테나와 j번째 가까운 사용자 사이의 무선채널 효율을,
Figure 112020031970882-pat00014
는 j번째 가까운 사용자 채널의 잡음(추가 백색 가우시안 잡음(Additive white Gaussian noise))으로 평균이 0, 분산이 σNj 2 이다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00015
는 베이스 스테이션이 i번째 안테나를 이용하여 j번째 가까운 사용자에게 보내는 메시지이고,
Figure 112020031970882-pat00016
는 베이스 스테이션이 i번째 안테나를 이용하여 k번째 먼 사용자에게 보내는 메시지를 나타낸다.
가까운 사용자는 NOMA 시스템의 원리에 따라 낮은 전송 파워를 할당하게 된다. 따라서, 먼 사용자의 할당된 에너지를 제거해야 하는데, 이를 위하여 가까운 사용자는 Successive interference Cancelation(SIC)를 통하여 먼 사용자의 신호를 제거한다. 가까운 사용자에서 SIC를 통하여 제거되는 SINR(signal-to-interference-noise ratio)는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112020031970882-pat00017
여기에서,
Figure 112020031970882-pat00018
는 베이스 스테이션에서 i번째 안테나와 j번째 가까운 사용자 사이 채널의 채널 이득을 나타낸다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00019
는 j번째 가까운 사용자에서의 부가 백색 가우시안 잡음의 분산을 나타낸다.
SIC 이후, 가까운 사용자에서 가까운 사용자 메시지에 대한 SNR(signal-to-noise ratio)는 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112020031970882-pat00020
한편, 베이스 스테이션의 i번째 안테나를 통해 전송한 신호를 k번째 먼 사용자가 수신한 경우, 먼 사용자의 수신된 신호는 수학식 4와 같다.
Figure 112020031970882-pat00021
여기서,
Figure 112020031970882-pat00022
는 베이스 스테이션의 i번재 안테나와 k번째 먼 사용자 사이의 무선 채널 효율을 의미하고,
Figure 112020031970882-pat00023
는 k번째 먼 사용자 채널의 잡음(추가 백색 가우시안 잡음(Additive white Gaussian noise))으로 평균이 0이고 분산이
Figure 112020031970882-pat00024
이다.
먼 사용자는 NOMA 시스템의 원리에 따라서 더 높은 전송 파워를 할당하기 때문에 가까운 사용자와 달리 바로 수신된 신호에서 데이터를 복호화할 수 있다. 먼 사용자 메시지를 복호화하기 위한 SNR은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112020031970882-pat00025
여기에서,
Figure 112020031970882-pat00026
는 k번째 먼 사용자의 잡음(추가 백색 가우시안 잡음)의 분산을 나타낸다.
한편, 합법적인 사용자들(가까운 사용자, 먼 사용자)과 같이 악의적 사용자인 도청자도 무선 채널의 특성으로 인하여 신호를 수신하게 된다. l번째 도청자가 도청하는 신호는 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112020031970882-pat00027
여기서,
Figure 112020031970882-pat00028
은 베이스 스테이션의 i번째 안테나와 l번째 도청자 사이의 무선채널효율을 의미하고,
Figure 112020031970882-pat00029
은 l번째 도청자의 잡음(추가 백색 가우시안 잡음)으로 평균은 0이고 분산은
Figure 112020031970882-pat00030
이다. 그리고, 본 발명에서는 모든 수신부(가까운 사용자, 먼 사용자, 도청자)가 모두 동일한 잡음 분포를 갖는데, 이에 따라 수신부의 잡음은
Figure 112020031970882-pat00031
이 된다.
본 발명에서는 최악의 도청 상황을 위하여 도청자들이 합법적인 사용자들보다 더 뛰어난 성능을 갖고 있다고 가정하기로 하자. 그 결과 도청자들은 수신 신호로부터 먼 사용자의 메시지와 가까운 사용자의 메시지를 정확하게 구분할 수 있게 된다. 또한, 도청자들은 도청 성능 향상시키기 위하여 2가지 도청 기법이 사용된다.
첫 번째 도청 기법은 도청자들이 도청 SNR을 서로 공유하여 이를 도청에 이용한다. 이러한 도청기법을 colluding(co) 기법이라 한다. 따라서 수신 신호로부터 도청자가 얻는 가까운 사용자와 먼 사용자의 도청 SNR은 다음의 수학식 7 및 수학식 8과 같다.
Figure 112020031970882-pat00032
Figure 112020031970882-pat00033
여기서, co는 도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우를 의미하며, σ2은 도청자의 추가 백색 가우시안 잡음의 분산을 나타낸다.
두 번째 도청 기법은 도청자들이 도청 신호를 공유하지 않고 독립적으로 도청을 실시한다. 이러한 경우를 non-colluding(nc) 기법이라 한다. 따라서 도청 신호로부터 도청자가 얻을 수 있는 가까운 사용자와 먼 사용자의 도청 SNR은 다음의 수학식 9 및 수학식 10과 같다.
Figure 112020031970882-pat00034
Figure 112020031970882-pat00035
여기서, nc는 도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우를 의미한다.
이와 같은 NOMA 시스템에서 본 발명은 물리계층보안 성능을 향상 시키기 위해서 다음과 같은 방법으로 전송 안테나와 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하게 된다.
단계 1 : 베이스 스테이션은 가까운 사용자, 먼 사용자, 도청자들로부터 채널 정보(채널 효율, 채널이득)에 대한 결과를 응답받는다.
단계 2 : 베이스 스테이션은 수신받은 각 채널의 채널 정보를 바탕으로 먼저 전송 안테나를 선택한다. 전송 안테나 선택시 다음 수학식 11과 같은 조건을 만족하는 전송 안테나를 선택한다.
Figure 112020031970882-pat00036
여기서, *는 선택된 것을 의미하는데, i*는 선택된 안테나, j*는 선택된 가까운 사용자, k*는 선택된 먼 사용자,
Figure 112020031970882-pat00037
와
Figure 112020031970882-pat00038
는 각각 선택된 가까운 사용자 j*와 선택된 먼사용자 k*가 수신할 메시지를 의미한다. 또한, EC는 도청자의 사용 기법을 의미하며 EC ∈{co, nc}가 된다.
단계 3 : 베이스 스테이션은 단계 2에서 선정된 전송 안테나에서 보안채널용량을 최대로 하는 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택한다. 이때, 선택되는 가까운 사용자와 먼 사용자는 수학식 12 및 수학식 13으로 표현할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00039
Figure 112020031970882-pat00040
본 발명에서 제안하는 기회주의적 선택 방법의 보안 성능을 평가하기 위한 가까운 사용자와 먼 사용자에 대한 보안실패확률(Secrecy outage probability: SOP)의 수학적 정의는 다음의 수학식 14 및 수학식 15와 같다.
Figure 112020031970882-pat00041
Figure 112020031970882-pat00042
상기 수학식 14 및 15에서, case는 도청자의 도청 기법(colluding: c3, non-colluding: c4)을 의미한다. 그리고
Figure 112020031970882-pat00043
와
Figure 112020031970882-pat00044
는 가까운 사용자와 먼 사용자의 보안 타켓 데이터 속도(secrecy target data rate)(bps/Hz)를 나타낸다. 또한, 수학적 분석의 편의를 위하여 다음과 같이 변수들을 정의 한다.
Figure 112020031970882-pat00045
,
Figure 112020031970882-pat00046
,
Figure 112020031970882-pat00047
,
Figure 112020031970882-pat00048
,
Figure 112020031970882-pat00049
,
Figure 112020031970882-pat00050
,
Figure 112020031970882-pat00051
,
Figure 112020031970882-pat00052
,
Figure 112020031970882-pat00053
이다.
[도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우의 보안실패확률]
도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우, 가까운 사용자와 먼 사용자의 보안실패확률은 다음과 같다.
먼저, 가까운 사용자의 보안 실패 확률은 다음 수학식 16과 같다.
Figure 112020031970882-pat00054
상기 수학식 16에서,
Figure 112020031970882-pat00055
는 선택된 안테나(i*)와 선택된 가까운 사용자(j*) 사이의 채널의 채널을 의미하고,
Figure 112020031970882-pat00056
는 도청자가 co기법을 사용하는 경우에 선택된 안테나(i*)와 도청자 사이의 채널을 의미한다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00057
와
Figure 112020031970882-pat00058
는 상호 배타적이기 때문에
Figure 112020031970882-pat00059
이다. 따라서 상기 수학식 16은 다음 수학식 17과 같이 전개할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00060
상기 수학식 17은 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 방법에 따라서 다음 수학식 18과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00061
M개의 안테나 중에서 i번째 안테나가 선택될 확률(
Figure 112020031970882-pat00062
)은 다음 수학식 19와 같다.
Figure 112020031970882-pat00063
여기서,
Figure 112020031970882-pat00064
,
Figure 112020031970882-pat00065
이고 ,
Figure 112020031970882-pat00066
이다. 따라서 상기 수학식 19를 수학식 18에 대입하고 이항 정리(
Figure 112020031970882-pat00067
)를 사용하면 다음의 수학식 20과 같다.
Figure 112020031970882-pat00068
여기서,
Figure 112020031970882-pat00069
이며,
Figure 112020031970882-pat00070
는 베이스 스테이션에 장착된 안테나와 도청자 사이 채널의 평균 채널 이득이다.
상기 수학식 20을 적분하면 다음 수학식 21과 같다.
Figure 112020031970882-pat00071
여기서,
Figure 112020031970882-pat00072
는 베이스 스테이션에 장착된 안테나와 가까운 사용자 사이 채널의 평균 채널 이득을 나타낸다,
따라서, 도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우, 가까운 사용자의 보안실패확률의 수학적 모델은 상기 수학식 21이 된다.
한편, 도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우, 먼 사용자의 보안실패확률은 상기 수학식 15로부터 다음 수학식 22와 같이 전개할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00073
여기서,
Figure 112020031970882-pat00074
는 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중 선택된 안테나(i*)와 먼 사용자 중에서 선택된 사용자(k*) 사이의 채널을 나타내고,
Figure 112020031970882-pat00075
는 도청자가 co 기법을 사용할 때, 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중 선택된 안테나와 도청자 사이의 채널을 나타낸다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00076
와
Figure 112020031970882-pat00077
는 서로 상호 배타적이기 때문에
Figure 112020031970882-pat00078
이 된다. 따라서, 상기 수학식 22는 다음 수학식 23과 같이 전개 할수 있다.
Figure 112020031970882-pat00079
여기서, 불규칙변수
Figure 112020031970882-pat00080
와
Figure 112020031970882-pat00081
는 항상 양의 불규칙 변수이고, 본 발명의 기회주의적 스케쥴링 방법에 따라 상기 수학식 23은 다음 수학식 24와 같이 전개할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00082
여기서,
Figure 112020031970882-pat00083
이며,
Figure 112020031970882-pat00084
이다.
Figure 112020031970882-pat00085
Figure 112020031970882-pat00086
상기 수학식 25와 수학식 26을 이용하여, 수학식 24의 적분을 계산하면 다음수학식 27과 같다.
Figure 112020031970882-pat00087
여기서,
Figure 112020031970882-pat00088
,
Figure 112020031970882-pat00089
이다.
상기 수학식 27은 도청자가 colluding 기법을 사용하는 경우, 먼 사용자의 보안실패확률의 수학적 모델이 된다.
[도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우에서의 보안실패확률]
한편, 도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우, 가까운 사용자와 먼 사용자의 보안실패확률은 다음과 같다.
먼저, 보안실패확률의 정의에 따라, 도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우에서의 가까운 사용자의 보안실패확률은 다음 수학식 28과 같다.
Figure 112020031970882-pat00090
상기 수학식 28에서,
Figure 112020031970882-pat00091
는 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중에서 선택된 안테나(i*)와 선택된 가까운 사용자(k*)사이의 채널이고,
Figure 112020031970882-pat00092
는 도청자가 nc기법을 사용할 때 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중 선택된 안테나(i*)와 도청자 사이의 채널이다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00093
와
Figure 112020031970882-pat00094
는 서로 상호 배타적 관계이기 때문에
Figure 112020031970882-pat00095
이다. 따라서, 상기 수학식 28은 다음 수학식 29와 같이 전개할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00096
도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우, M개의 안테나 중 i번째 안테나를 선택할 확률(
Figure 112020031970882-pat00097
)은 다음 수학식 30과 같다.
Figure 112020031970882-pat00098
여기서,
Figure 112020031970882-pat00099
이다. 이항 정리를 이용하면 수학식 29는 다음 수학식 31과 같다.
Figure 112020031970882-pat00100
Figure 112020031970882-pat00101
상기 수학식 32를 이용하여 수학식 31의 적분을 계산하면 다음의 수학식 33과 같다.
Figure 112020031970882-pat00102
상기 수학식 33은 도청자가 non-colluding 기법을 사용하는 경우에 가까운 사용자의 보안실패확률의 수학적 모델이 된다.
한편, 도청자가 non-colluding 기법을 사용할 때 먼 사용자의 보안실패확률은 다음 수학식 34와 같다.
Figure 112020031970882-pat00103
여기서,
Figure 112020031970882-pat00104
는 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중 선택된 안테나(i*)와 선택된 먼 사용자(k*) 사이의 채널이고,
Figure 112020031970882-pat00105
는 도청자가 nc 기법을 사용할 때 베이스 스테이션에 장착된 안테나 중 선택된 안테나(i*)와 도청자 사이의 채널이다. 그리고,
Figure 112020031970882-pat00106
와
Figure 112020031970882-pat00107
는 서로 상호 배타적 관계이기 때문에
Figure 112020031970882-pat00108
이 된다. 따라서, 상기 수학식 34를 다음 수학식 35와 같이 전개 할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00109
여기서,
Figure 112020031970882-pat00110
와
Figure 112020031970882-pat00111
는 양의 불규칙 변수이고, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 기법에 따라 상기 수학식 35는 다음의 수학식 36과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020031970882-pat00112
여기서,
Figure 112020031970882-pat00113
이다.
Figure 112020031970882-pat00114
Figure 112020031970882-pat00115
상기 수학식 37과 수학식 38을 이용하여, 수학식 36의 적분을 계산하면 다음의 수학식 39와 같다.
Figure 112020031970882-pat00116
여기서,
Figure 112020031970882-pat00117
,
Figure 112020031970882-pat00118
이다.
상기 수학식 39는 본 발명에서 도청자가 non-colluding 기법인 경우 먼 사용자의 보안실패확률의 수학적 모델이 된다.
도 2는 베이스 스테이션의 안테나 수 증가에 따른 보안실패확률(SOP)의 변화 일례를 나타내 것이다.
case 1 : 도청자가 colluding 방식일 때, 랜덤 안테나와 랜덤 사용자 방법으로 선택하는 경우
case 2 : 도청자가 non-colluding 방식일 때, 랜덤 안테나와 랜덤 사용자 방법으로 선택하는 경우
case 3 : 도청자가 colluding 방식일 때, 기회주의적 스케쥴링 기법으로 선택하는 경우
case 4 : 도청자가 non-colluding 방식일 때, 기회주의적 스케쥴링 기법으로선택하는 경우
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 기법이 랜덤 안테나와 랜덤 사용자 방법보다 나은 보안 성능을 보여준다. 또한, 동일한 조건에서 non-colluding 기법일 때, 도청자가 더 적은 양의 SNR을 얻기 때문에 더 나은 성능을 보여준다.
도 3은 가까운 사용자 증가에 따른 가까운 사용자의 보안실패확률 변화 일례를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, case 1과 case 2는 가까운 사용자의 보안실패확률이 가까운 사용자의 수에 따라서 변하지 않는다. 하지만 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 기법은 가까운 사용자의 수가 증가함에 따라 가까운 사용자의 보안 실패확률이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이는 case 1과 case 2와 달리, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 기법이 안테나와 사용자 선택시에 채널 상태를 고려하기 때문이다.
도 4는 먼 사용자 증가에 따른 가까운 사용자의 보안실패확률 변화 일례를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼 사용자의 수가 증가함에 따라 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 기법이 case 1과 case 2와 달리 보안 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이는 가까운 사용자의 보안성능과 마찬가지로 안테나와 먼 사용자 선택시 채널 상태를 고려하기 때문에 보안 성능이 향상된다.
도 5는 전송파워 변화에 따른 보안실패확률 변화 일례를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전송파워가 증가함에 따라 가까운 사용자의 보안실패확률은 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 계속 감소하다가 일정 전송파워를 넘어서면 일정한 보안성능을 보여준다. 이와 달리, 먼 사용자는 전송파워가 증가함에 따라 아래로 볼록한 함수 패턴을 보여준다. 이는 전송파워가 증가함에 따라서 가까운 사용자에게 할당되는 전송파워도 증가하여 간섭이 증가하기 때문이다. 하지만 전송파워 측면에서도 본 발명에서 제안하는 기회주의적 스케쥴링 방법이 case 1와 case 2보다 더 나은 보안 성능을 보여준다. 이를 통하여 본 발명에서 제안한 기회주의적 스케쥴링 기법은 효과적으로 보안성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 MU-MISO NOMA 시스템에서 물리계층보안을 위해 기회주의적 스케쥴링 방법을 제공함으로써, 낮은 보안실패확률에 따라 보안 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
Base staion S : 베이스 스테이션
Antenna : 안테나
Cell-center user : 가까운 사용자
Cell-edge user : 먼 사용자
Eavesdropper : 도청자

Claims (9)

  1. 복수(M)의 안테나(antenna)를 갖는 베이스 스테이션(Base station)과, 상기 베이스 스테이션과 데이터를 송수신하는 복수(N)의 가까운 사용자(cell-center user) 및 복수(K)의 먼 사용자(cell-edge user)를 갖는 MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템에서,
    상기 베이스 스테이션은 도청자(eavesdropper)로부터 데이터를 보호하기 위해, 채널 상태를 바탕으로 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 기회주의적 스케쥴링 기법(Opportunistic Scheduling Scheme)을 통해 물리계층보안(Physical Layer Security)을 수행하되,
    상기 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법은 상기 베이스 스테이션에서 데이터를 무선으로 송출한 후, 가까운 사용자, 먼 사용자, 도청자로부터 채널 효율을 포함하는 채널 정보에 대한 결과를 응답받는 단계(a)와; 상기 베이스 스테이션에서 수신받은 각 채널의 채널 정보를 바탕으로 N개의 안테나 중 어느 하나를 전송 안테나를 선택하는 단계(b)와; 상기 베이스 스테이션에서 선택된 전송 안테나의 보안채널용량을 최대로 하는 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 단계(c);를 포함하며,
    상기 전송 안테나를 선택하는 단계(b)에서, 상기 베이스 스테이션은 전송 안테나 선택시 다음의 수학식과 같은 조건을 만족하는 전송 안테나를 선택하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
    Figure 112021075299638-pat00175

    (여기서, i*는 선택된 i번째 안테나, M은 안테나 수,
    Figure 112021075299638-pat00176
    는 도청자(E)의 도청 기법(EC ; co(colluding) 또는 nc(non-colluding) 기법)에 따른 가까운 사용자의 도청 채널 SNR(signal-to-noise ratio),
    Figure 112021075299638-pat00177
    는 도청자(E)의 도청 기법(EC)에 따른 먼 사용자의 도청 채널 SNR을 의미한다)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 단계(c)에서,
    상기 베이스 스테이션은 가까운 사용자를 수학식
    Figure 112021075299638-pat00122

    (여기서, j*는 선택되는 j번째 가까운 사용자, N은 가까운 사용자 수,
    Figure 112021075299638-pat00123
    는 베이스 스테이션에서 선택된 안테나(i*)와 j번째 가까운 사용자 사이의 채널의 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00124
    는 베이스 스테이션에서 선택된 안테나(i*)와 도청자(E) 사이의 도청 기법(EC)에 따른 가까운 사용자 메시지에 대한 채널 SNR을 의미한다)을 통해 선택하고,
    먼 사용자를 수학식
    Figure 112021075299638-pat00125

    (여기서, k*는 선택되는 k번째 먼 사용자, K는 먼 사용자 수,
    Figure 112021075299638-pat00126
    는 베이스 스테이션에서 선택된 안테나(i*)와 k번째 먼 사용자 간의 채널 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00127
    는 베이스 스테이션에서 선택된 안테나(i*)와 도청자(E) 사이의 도청 기법(EC)에 따른 먼 사용자 메시지에 대한 채널 SNR을 의미한다)을 통해 선택하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
  5. 복수(M)의 안테나(antenna)를 갖는 베이스 스테이션(Base station)과, 상기 베이스 스테이션과 데이터를 송수신하는 복수(N)의 가까운 사용자(cell-center user) 및 복수(K)의 먼 사용자(cell-edge user)를 갖는 MU-MISO NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템에서,
    상기 베이스 스테이션은 도청자(eavesdropper)로부터 데이터를 보호하기 위해, 채널 상태를 바탕으로 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 기회주의적 스케쥴링 기법(Opportunistic Scheduling Scheme)을 통해 물리계층보안(Physical Layer Security)을 수행하되,
    상기 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법은 상기 베이스 스테이션에서 데이터를 무선으로 송출한 후, 가까운 사용자, 먼 사용자, 도청자로부터 채널 효율을 포함하는 채널 정보에 대한 결과를 응답받는 단계(a)와; 상기 베이스 스테이션에서 수신받은 각 채널의 채널 정보를 바탕으로 N개의 안테나 중 어느 하나를 전송 안테나를 선택하는 단계(b)와; 상기 베이스 스테이션에서 선택된 전송 안테나의 보안채널용량을 최대로 하는 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 단계(c);를 포함하며,
    상기 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하는 단계(c)에서, 상기 베이스 스테이션은 선택된 전송 안테나의 보안채널용량을 최대로 하는 가까운 사용자와 먼 사용자를 선택하기 위해 가까운 사용자 및 먼 사용자의 보안실패확률을 계산하되,
    가까운 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112021075299638-pat00178

    (여기서, case는 스케쥴링 기법과 도청 기법을 나타내는 것으로, 도청 기법이 colluding 방식일 때 기회주의적 스케쥴링 기법으로 선택하는 경우(case 3), 도청 기법이 non-colluding 방식일 때 기회주의적 스케쥴링 기법으로 선택하는 경우(case 4)를 포함한다. 또한,
    Figure 112021075299638-pat00179
    는 각 case에서 선택된 안테나(i*)와 선택된 가까운 사용자(j*) 사이 채널의 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00180
    는 각 case에서 가까운 사용자 정보에 대한 선택된 안테나(i*)와 도청자(E) 사이의 채널 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00181
    는 가까운 사용자의 보안 타켓 데이터 속도(secrecy target data rate)(bps/Hz)를 나타낸다)을 통해 계산하고,
    먼 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112021075299638-pat00182

    (여기서,
    Figure 112021075299638-pat00183
    는 각 case에서 선택된 안테나(i*)와 먼 사용자 사이 채널의 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00184
    는 각 case에서 먼 사용자 정보에 대한 선택된 안테나(i*)와 도청자(E) 사이의 채널 SNR,
    Figure 112021075299638-pat00185
    는 먼 사용자의 보안 타켓 데이터 속도(secrecy target data rate)(bps/Hz)를 나타낸다)을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은
    도청자의 도청 기법이 colluding 기법인 경우(case 3), 가까운 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112020031970882-pat00136

    (여기서, M은 안테나 수, N은 가까운 사용자 수, L은 도청자 수,
    Figure 112020031970882-pat00137
    ,
    Figure 112020031970882-pat00138
    ,
    Figure 112020031970882-pat00139
    ,
    Figure 112020031970882-pat00140
    ,
    Figure 112020031970882-pat00141
    는 감마 함수를 의미한다)을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은
    도청자의 도청 기법이 colluding 기법(case 3)인 경우, 먼 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112020031970882-pat00142

    (여기서, M은 안테나 수, K는 먼 사용자 수, L은 도청자 수, R은 구적분 횟수,
    Figure 112020031970882-pat00143
    ,
    Figure 112020031970882-pat00144
    ,
    Figure 112020031970882-pat00145
    ,
    Figure 112020031970882-pat00146
    ,
    Figure 112020031970882-pat00147
    ,
    Figure 112020031970882-pat00148
    ,
    Figure 112020031970882-pat00149
    ,
    Figure 112020031970882-pat00150
    ,
    Figure 112020031970882-pat00151
    는 감마 함수,
    Figure 112020031970882-pat00152
    는 안테나와 먼 사용자 사이 채널의 평균 채널 이득,
    Figure 112020031970882-pat00153
    는 안테나와 도청자 사이 채널의 평균 채널 이득을 나타낸다)을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은
    도청자의 도청 기법이 non-colluding 기법(case 4)인 경우, 가까운 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112020031970882-pat00154

    (여기서, M은 안테나 수, N은 가까운 사용자 수, L은 도청자 수,
    Figure 112020031970882-pat00155
    ,
    Figure 112020031970882-pat00156
    ,
    Figure 112020031970882-pat00157
    는 안테나와 가까운 사용자 사이 채널의 평균 채널 이득,
    Figure 112020031970882-pat00158
    는 안테나와 도청자 사이 채널의 평균 채널 이득,
    Figure 112020031970882-pat00159
    는
    Figure 112020031970882-pat00160
    이다)
    을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은
    도청자의 도청 기법이 non-colluding 기법(case 4)인 경우, 먼 사용자의 보안실패확률을 수학식
    Figure 112020031970882-pat00161

    (여기서, M은 안테나 수, K는 먼 사용자 수, L은 도청자 수, R은 구적분 횟수,
    Figure 112020031970882-pat00162
    ,
    Figure 112020031970882-pat00163
    ,
    Figure 112020031970882-pat00164
    는 안테나와 가까운 사용자 사이 채널의 평균 채널 이득,
    Figure 112020031970882-pat00165
    는 안테나와 도청자 사이 채널의 평균 채널 이득,
    Figure 112020031970882-pat00166
    ,
    Figure 112020031970882-pat00167
    ,
    Figure 112020031970882-pat00168
    ,
    Figure 112020031970882-pat00169
    이다)
    을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 물리계층보안을 위한 기회주의적 스케쥴링 방법.
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