KR102358613B1 - 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법 - Google Patents

채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR102358613B1
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Abstract

본 발명은 보안 중계 시스템 중 비신뢰적 중계 노드 및 채널추정오류를 함께 고려해서 재밍 노이즈의 파워를 선택할 수 있도록 한 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 상기 시스템은, 정보 신호를 설정된 파워로 전송하는 송신 노드; 송신 노드로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드로부터 전송되는 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 증폭하여 수신 노드로 전송하는 중계 노드; 및 상기 중계 노드와의 채널 추정을 수행하고, 상기 송신 노드에서 중계 노드로 정보 신호의 전송 시점과 동시에, 제1 파워를 이용하여 상기 중계 노드로 재밍 노이즈 신호를 전송하며, 중계 노드로부터 전송되는 신호 및 채널 추정에 따른 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택하는 수신 노드를 포함할 수 있다.

Description

채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법{Cooperative Jamming Power Selecting System and Method for Secure Communication via Untrusted Relay with Imperfect Channel Estimation}
본 발명은 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 보안 중계 시스템 중 비신뢰적 중계 노드 및 채널추정오류를 함께 고려해서 재밍 노이즈의 파워를 선택할 수 있도록 한 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 무선통신은 누구나 쉽게 접근 가능한 공공재인 무선 주파수를 매개로 한다는 점에서 항상 도청의 위협에 노출되어 있다.
이런 위협에 대응해 보안성을 향상시키기 위해서, 기존의 암호화 기반 보안 기술의 대안으로 물리 계층 보안 기술이 활용될 수 있다.
물리 계층 보안의 대표적인 기술로는 협력 재밍이 있다. 협력 재밍은 인위적인 재밍 노이즈를 방사함으로써 보안성을 향상시킨다.
정당한 수신자는 재밍 노이즈의 정보를 이용한 간섭 노이즈 제거를 통해 송신자가 보낸 정보를 디코딩하는데 지장을 받지 않지만, 도청자는 재밍 노이즈의 영향으로 송신자가 보낸 정보를 디코딩하는데 어려움을 겪게 된다.
협력 재밍을 이용한 물리계층보안은 여러 개의 안테나를 동시에 사용하는 MIMO(multiple-input-multiple-output)시스템에서 더 효과적으로 작동한다.
정당한 수신자가 도청자보다 많은 수의 안테나를 가지고 있다면, 도청자가 수신자보다 송신자에 더 가까이 있더라도 양의 보안 전송률을 가질 수 있다.
중계 노드가 종재한다면, 멀티-패스 다이버시티(Multi-Path Diversity) 특성을 이용해서 한 개의 안테나를 가진 수신자도 양의 보안 전송률을 보장할 수 있다.
그러나, 중계 노드를 이용하는 모든 무선 통신 시스템들이 중계 노드를 신뢰하지는 않는다. 따라서, 이런 비신뢰적 중계 노드는 도청자가 될 수도 있다.
수신 노드에서 인위적인 재밍 노이즈를 방사하는 수신단 어시스트 재밍 노이즈 시스템은 추가적인 재밍 노드가 필요하지 않다는 점에서 비용 효율적이며, 유지 및 관리가 다른 시스템에서 비해서 용이하다는 장점이 있다.
그러나, 수신단 어시스트 재밍 노이즈는 중계 노드와 수신 노드 사이 채널의 완벽한 CSI(Channel State Information) 추정이 수반되어야 한다. 하지만, 현실세계에서는 시간지연과 시스템의 오차 등을 이유로 완벽한 채널추정은 불가능 하다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 신뢰할 수 없는 중계 노드와 중계 노드, 수신 노드 사이의 채널 추정오류를 함께 고려해서 최적의 재밍 노이즈 파워를 선택할 수 있도록 한 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기된 바와 같은 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템은, 정보 신호를 설정된 파워로 전송하는 송신 노드; 송신 노드로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드로부터 전송되는 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 증폭하여 수신 노드로 전송하는 중계 노드; 및 상기 중계 노드와의 채널 추정을 수행하고, 상기 송신 노드에서 중계 노드로 정보 신호의 전송 시점과 동시에, 제1 파워를 이용하여 상기 중계 노드로 재밍 노이즈 신호를 전송하며, 중계 노드로부터 전송되는 신호 및 채널 추정에 따른 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택하는 수신 노드를 포함할 수 있다.
상기 수신 노드는, 상기 선택된 제2 파워를 이용하여 재밍 노이즈 신호를 중계 노드로 전송하고, 중계 노드로부터 수신되는 재밍 노이즈 신호 및 송신 노드로부터 전송되는 정보 신호를 포함하는 신호에 대하여 상기 추정된 채널에 대한 정보를 기반으로 간섭 제거 기법을 이용하여 정보 신호를 복호화할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법은, 수신 노드에서, 중계 노드와의 채널 추정을 수행하는 단계; 송신 노드에서, 정보 신호를 설정된 파워로 중계 노드로 전송하는 단계; 수신 노드에서, 상기 송신 노드에서 중계 노드로 정보 신호의 전송 시점과 동시에, 제1 파워를 이용하여 상기 중계 노드로 재밍 노이즈 신호를 전송하는 단계; 중계 노드에서, 상기 송신 노드로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드로부터 전송되는 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 증폭하여 수신 노드로 전송하는 단계; 및 수신 노드에서, 상기 중계 노드로부터 전송되는 신호 및 채널 추정에 따른 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 수신 노드에서, 상기 선택된 제2 파워를 이용하여 재밍 노이즈 신호를 중계 노드로 전송하는 단계; 상기 중계 노드로부터 수신되는 상기 재밍 노이즈 신호 및 송신 노드로부터 전송되는 정보 신호를 포함하는 신호에 대하여 상기 추정된 채널에 대한 정보를 기반으로 간섭 제거 기법을 이용하여 정보 신호를 복호화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신뢰할 수 없는 중계 노드와 중계 노드, 수신 노드 사이의 채널 추정오류를 함께 고려해서 최적의 재밍 노이즈 파워를 선택할 수 있도록 하여 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 전송률을 향상시킬 수 있다. 즉, 도2를 참조하면, 도 2에 도시된 범례는 철저하게 찾아낸 최적의 값인 Optimal, 본 발명에서 제안하는 Propose, 재밍 노이즈 파워를 항상 최대인 '1'로 전송하는 Full Jamming으로서, Full Jamming 전략은 기존의 협력 재밍을 이용한 물리계층보안에서 사용하는 전략이다. 3가지 전략 모두 다 채널 추정오류가 증가하면서 보안 전송률이 감소됨을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에서 제안한 전략이 최적의 값보다는 보안 전송률이 낮았으나, 최적값과 경향이 비슷하고 모든 구간에서 기존 전략보다 높은 보안 전송률을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시 예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템에 대한 블록 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법을 적용할 경우, 채널 추정 오류에 따른 보안 전송률을 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명해 보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템에 대한 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템은, 송신 노드(100), 중계 노드(200) 및 수신 노드(300)를 포함할 수 있다.
송신 노드(100)는 Amplify-and-Forward(AF) 프로토콜에 따라 신호를 중계 노드(200)로 전송한다.
중계 노드(200)는 상기 송신 노드(100)로부터 Amplify-and-Forward(AF) 프로토콜에 따라 전송되는 신호를 수신한 후, 수신된 신호를 증폭한 후, 증폭된 신호를 수신 노드(300)로 전송한다.
도1에 도시된 바와 같이, 정당한 수신자인 수신 노드(300)와, 송신 노드(100) 사이에서 송신 노드(100)의 신호를 수신 노드(300)로 전달해주는 신뢰할 수 없는 중계 노드(200)가 있다.
상기 각 노드(100, 200, 300)들은 안테나를 한 개씩 구비하고 있으며, 반이중(Half-Duplex)방식으로 동작하며, 송신 노드(100)와 수신 노드(300) 사이에 직접적인 링크는 존재하지 않는다.
상기 중계 노드(200)는 송신 노드(100)로부터 수신한 신호를 수신 노드(300)로 전송하는데, 이러한 중계 노드(200)를 신뢰할 수 없는 도청자로 간주할 수 있다.
송신 노드(100)와 중계 노드(200), 중계 노드(200)와 수신 노드(300)간의 채널은
Figure 112021134266841-pat00001
,
Figure 112021134266841-pat00002
로 나타내고, 평균이 0 이면서 각각 분산이
Figure 112021134266841-pat00003
,
Figure 112021134266841-pat00004
인 복합 가우시안(Complex Gaussian) 분포를 따른다.
또한, 중계 노드(200)와 수신 노드(300)에서의 AWGN(Additive White Gaussian Noise)은
Figure 112021134266841-pat00005
,
Figure 112021134266841-pat00006
와 같이 나타내고, 평균이 0 이면서 분산이
Figure 112021134266841-pat00007
인 Complex Gaussian 분포를 따른다.
또한, 각 채널은 블록 시간
Figure 112021134266841-pat00008
동안 상수인 블록 페이딩(Block-Fading) 채널이고, 수신 노드(300)는 위치정보를 기반으로
Figure 112021134266841-pat00009
와
Figure 112021134266841-pat00010
에 대해서 알고 있다고 가정한다.
도 1에 도시된 바와 같은 시스템에서, 먼저, 수신 노드(300)는 파일럿을 통해 중계 노드(200)간의 채널 추정을 수행한 후, 채널 추정값을 보유하게 되는데, 이러한 채널 추정에 있어서 일반적으로 채널 추정 오류가 발생하게 되어, 중계 노드(200)로부터 수신된 신호에 대하여 간섭 제거 기법을 이용하여 협력 재밍 신호를 제거한다 해도, 잔류 재밍 노이즈는 항상 존재하게 되는 것이다.
이러한 기술적 특징에 대한 송신 노드(100), 중계 노드(200) 및 수신 노드(300)간 동작에 대하여 살펴보자.
먼저, 송신 노드(100), 중계 노드(200) 및 수신 노드(300)간에는 총 2개의 페이즈(Phase)로 작동되며 각각의 페이즈는
Figure 112021134266841-pat00011
만큼의 시간동안 동작한다.
송신 노드(100)는
Figure 112021134266841-pat00012
시간 동안 송신 전력
Figure 112021134266841-pat00013
로 신호
Figure 112021134266841-pat00014
를 송신한다.
이와 동시에, 중계 노드(200)의 디코딩을 방해하기 위해 수신 노드(300)는 송신 전력
Figure 112021134266841-pat00015
로 인위적인 재밍 노이즈
Figure 112021134266841-pat00016
를 중계 노드(200)로 송신한다. 이때,
Figure 112021134266841-pat00017
는 송신 노드(300)의 최대 송신 전력이며,
Figure 112021134266841-pat00018
는 0과 1사이의 값으로 송신 노드의 송신전력에 대한 비(ratio)를 나타낸다.
상기한 2개의 페이즈에 대하여 구체적으로 살펴보자. 여기서, 첫 번째 페이즈는 송신 노드(100)와 중계 노드(200)간 페이즈이고, 두 번째 페이즈는 중계 노드(200)와 수신 노드(300)간 페이즈이다.
먼저, 첫 번째 페이즈에 대하여 살펴보면, 중계 노드(200)가 송신 노드(100)로부터 수신한 신호는
Figure 112021134266841-pat00019
이고, 이때 중계 노드(200)의 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio
Figure 112021134266841-pat00020
는
Figure 112021134266841-pat00021
이다.
그리고, 송신 노드(100)의 송신 SNR(Signal-to-Noise-Ratio)인
Figure 112021134266841-pat00022
가 매우 크다는 가정을 이용해서
Figure 112021134266841-pat00023
는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021134266841-pat00024
두 번째 페이즈는, 중계 노드(200)에서 송신 노드(100)으로부터 수신한 신호를 증폭 계수
Figure 112021134266841-pat00025
로 증폭 후, 수신 노드(300)로 전달된 신호는
Figure 112021134266841-pat00026
이고, 수신 노드(300)에서 수신한 신호는 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021134266841-pat00027
Figure 112021134266841-pat00028
중계 노드(200)와 수신 노드(300) 사이의 채널
Figure 112021134266841-pat00029
과 독립인 채널추정오류는
Figure 112021134266841-pat00030
로 나타내며, 평균이 0이고 분산이
Figure 112021134266841-pat00031
인 Complex Gaussian 분포를 따른다. 채널추정오류와 함께 추정된 채널
Figure 112021134266841-pat00032
는
Figure 112021134266841-pat00033
Figure 112021134266841-pat00034
와 같이 나타내며,
Figure 112021134266841-pat00035
도 평균이 0이고 분산이
Figure 112021134266841-pat00036
인 Complex Gaussian 분포를 따른다.
이때, 수신 노드(300)는 추정된 채널
Figure 112021134266841-pat00037
에 대한 정보를 바탕으로 수신된 신호
Figure 112021134266841-pat00038
에서 재밍 노이즈 부분인
Figure 112021134266841-pat00039
를 제거할 수 있다.
자기 재밍 노이즈 제거 후의 수신 노드(300)가 수신한 신호는 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021134266841-pat00040
Figure 112021134266841-pat00041
상기 수학식 3에서
Figure 112021134266841-pat00042
은 채널추정오류로 인해 완벽히 제거되지 않고 남은 잔류 재밍 노이즈이다.
채널추정오류와 함께 정합필터를 통과한 신호
Figure 112021134266841-pat00043
는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112021134266841-pat00044
상기 수학식 4에서
Figure 112021134266841-pat00045
이다.
또한,
Figure 112021134266841-pat00046
는 송신 노드(100)의 신호
Figure 112021134266841-pat00047
는 디코딩 되지 못한 송신 노드(100)의 신호이고,
Figure 112021134266841-pat00048
는 잔류 재밍 노이즈라는 것을 알 수 있다.
이를 통해서, 수신 노드의 SINR인
Figure 112021134266841-pat00049
는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있으며, 수신 노드의 SINR은 채널 추정오류로 인해 생긴 잔류 재밍 노이즈와 디코딩 되지 못한 소스 신호에 의해 감소된다는 것을 알 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021134266841-pat00050
여기서, 시스템의 보안 정도를 나타내는 보안 전송률은 정당한 링크의 채널용량과 도청자의 채널 용량 간의 차로 정의되고 하기 수학식 6와 같이 표현된다.
[수학식 6]
Figure 112021134266841-pat00051
여기서
Figure 112021134266841-pat00052
이다.
Figure 112021134266841-pat00053
는
Figure 112021134266841-pat00054
에 대하여 단조증가 하므로,
Figure 112021134266841-pat00055
대신에
Figure 112021134266841-pat00056
를
Figure 112021134266841-pat00057
에 대하여 최적화하면 최적의 재밍 노이즈 파워를 찾아낼 수 있다.
이어, 상기 수학식 5에서
Figure 112021134266841-pat00058
를 하기 수학식 7과 같이 치환하고
Figure 112021134266841-pat00059
에 대해서 미분을 수행할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021134266841-pat00060
Figure 112021134266841-pat00061
Figure 112021134266841-pat00062
그리고,
Figure 112021134266841-pat00063
을 만족하는 최적의 재밍 노이즈 파워
Figure 112021134266841-pat00064
는 아래 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021134266841-pat00065
상기 수학식 8과 같이 최적의 재밍 노이즈 파워가 선택되며, 수신 노드(300)는 해당 파워를 이용하여 중계 노드(200)로 재밍 노이즈 신호를 전송하고, 중계 노드(200)로부터 수신된 신호에 대하여 간섭 제거 기법을 이용하여 재밍 노이즈를 제거한 후, 송신 노드(100)로부터 전송된 신호를 복호화하게 되는 것이다.
상기한 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템에 동작에 상응하는 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법에 대하여 도 3을 참조하여 단계적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택방법에 대항 동작 플로우챠트를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 수신 노드(300)는 파일럿을 이용하여 중계 노드(200)와 수신 노드(300)사이의 채널을 추정한다 (S201).
이어, 송신 노드(100)에서 설정된 파워를 이용하여 신호를 중계 노드(200)로 전송함과 동시에, 수신 노드(300)는 설정된 제1 파워에 의해 재밍 노이즈 신호를 중계 노드(200)로 전송한다(S202).
이어, 중계 노드(200)는 송신 노드(100)로부터 전송되는 신호와, 수신 노드(300)로부터 수신한 재밍 노이즈 신호(협력 재밍 신호)를 증폭한 후, 수신 노드(300)로 전송한다(S203).
이어, 수신 노드(300)는 중계 노드(200)로부터 전송된 협력 재밍 신호 및 정보 신호를 포함하는 신호를 수신하고, 수신된 신호에 대하여 재밍 파워 선택 알고리즘 즉, 상기 수학식들을 이용하여 협력 재밍 신호의 전송 파워를 선택한다(S204). 즉, 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택한다.
이어, 상기 선택된 최적의 보안 전송률을 가지는 제2 파워를 이용하여 재밍 노이즈 신호를 중계 노드(200)로 전송한다(S205). 이때, 재밍 노이즈의 전송은 송신 노드(100)에서 중계 노드(200)로 전송되는 정보 신호의 전송 시점과 동일한 시점에 전송한다.
이어, 중계 노드(200)는 송신 노드(100)로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드(300)로부터 전송된 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 수신 노드(300)로 전송한다(S206).
수신 노드(300)는 중계 노드(200)로부터 전송되는 신호로부터 간섭 제거 기법을 이용하여 재밍 노이즈 신호를 제거한 후, 송신 노드(100)로부터 전송도는 정보 신호를 복호화하는 것이다(S207).
이와 같은 본 발명에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법을 이용하는 경우, 도 3과 같이 수신 노드(300)에서 중계 노드(200)로 전송되는 재밍 노이즈 신호의 보안 전송률이 높게 나타남을 알 수 있다.
도 3은 채널추정오류에 따른 보안 전송률을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 범례는 철저하게 찾아낸 최적의 값인 Optimal이고, Propose는 본 발명에서 제안하는 방식으로서, Full Jamming은 재밍 노이즈 파워를 항상 최대인 '1'로 전송하는 것을 나타낸다.
도 3에서, Full Jamming 전략은 기존의 협력 재밍을 이용한 물리계층보안에서 사용하는 전략이다.
상기 3가지 전략 모두 다 채널 추정오류가 증가하면서 보안 전송률이 감소되는 것을 알 수 있고, 본 발명에서 제안한 전략이 최적의 값보다는 보안 전송률이 낮았으나, 최적값과 경향이 비슷하고 모든 구간에서 기존 전략보다 높은 보안 전송률을 나타내는 것을 알 수 있다.
이상에서 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법은, 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어 실행되기 위해 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현되어 매체에 저장될 수 있다.
상기 전술한 프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, Ruby, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
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Claims (18)

  1. 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템에 있어서,
    정보 신호를 설정된 파워로 전송하는 송신 노드;
    송신 노드로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드로부터 전송되는 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 증폭하여 수신 노드로 전송하는 중계 노드; 및
    상기 중계 노드와의 채널 추정을 수행하고, 상기 송신 노드에서 중계 노드로 정보 신호의 전송 시점과 동시에, 제1 파워를 이용하여 상기 중계 노드로 재밍 노이즈 신호를 전송하며, 중계 노드로부터 전송되는 신호 및 채널 추정에 따른 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택하는 수신 노드를 포함하고,
    상기 수신 노드는,
    상기 선택된 제2 파워를 이용하여 재밍 노이즈 신호를 중계 노드로 전송하고, 중계 노드로부터 수신되는 재밍 노이즈 신호 및 송신 노드로부터 전송되는 정보 신호를 포함하는 신호에 대하여 상기 추정된 채널에 대한 정보를 기반으로 간섭 제거 기법을 이용하여 정보 신호를 복호화하며,
    상기 송신 노드와 중계 노드는 제1 페이즈로 동작하고, 중계 노드와 수신 노드는 제2 페이즈(Phase)로 동작하며, 각각의 페이즈는 T/2 만큼 동작하고,
    상기 제1 페이즈는, 하기의 수학식을 이용하여 동작하는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]
    Figure 112022004051963-pat00066

    여기서, 중계 노드가 수신한 신호는
    Figure 112022004051963-pat00067
    이고, 이때 중계 노드의 Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio(SINR)
    Figure 112022004051963-pat00068
    는
    Figure 112022004051963-pat00069
    이며, 송신 노드의 송신 Signal-to-Noise-Ratio(SNR)인
    Figure 112022004051963-pat00070
    가 매우 크다고 가정한다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 페이즈를 통해 수신 노드에서 수신한 신호는, 하기의 수학식을 이용하여 동작하는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]
    Figure 112022004051963-pat00071

    여기서, 중계 노드에서 증폭 계수
    Figure 112022004051963-pat00072
    로 증폭 후 수신노드로 전달된 신호는
    Figure 112022004051963-pat00073
    .
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수신 노드에서, 자기 재밍 노이즈 신호를 제거한 후, 수신 노드가 수신한 신호는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00074

    여기서, 중계 노드와 수신 노드 사이의 채널
    Figure 112021134266841-pat00075
    독립인 채널추정오류는
    Figure 112021134266841-pat00076
    로 나타내며, 평균이 0이고 분산이
    Figure 112021134266841-pat00077
    인 Complex Gaussian 분포를 따른다. 또한, 채널추정오류와 함께 추정된 채널
    Figure 112021134266841-pat00078
    는
    Figure 112021134266841-pat00079
    Figure 112021134266841-pat00080
    와 같이 나타내며,
    Figure 112021134266841-pat00081
    도 평균이 0이고 분산이
    Figure 112021134266841-pat00082
    인 Complex Gaussian 분포를 따른다. 이때, 수신 노드는 추정된 채널
    Figure 112021134266841-pat00083
    에 대한 정보를 바탕으로 수신된 신호
    Figure 112021134266841-pat00084
    에서 재밍 노이즈 부분인
    Figure 112021134266841-pat00085
    를 제거할 수 있다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 청구항 6의 수학식을 통해 수신 노드에서의 SINR은 아래의 수학식과 같이 표현되며, 아래 수학식에 따라 SINR은 채널 추정오류로 인해 생긴 잔류 재밍 노이즈와 디코딩 되지 못한 소스 신호에 의해 감소되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00086
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수신 노드에서의 보안 전송율은 정당한 링크의 채널 용량과 도청자의 채널 용량간의 차로 정의되며, 아래의 수학식과 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]

    Figure 112021134266841-pat00087

    Figure 112021134266841-pat00088

    Figure 112021134266841-pat00089

    여기서,
    Figure 112021134266841-pat00090
    ,
    Figure 112021134266841-pat00091
    이고,
    Figure 112021134266841-pat00092
    는
    Figure 112021134266841-pat00093
    에 대하여 단조증가 하므로,
    Figure 112021134266841-pat00094
    대신에
    Figure 112021134266841-pat00095
    를
    Figure 112021134266841-pat00096
    에 대하여 최적화하고,
    Figure 112021134266841-pat00097
    를 치환하고
    Figure 112021134266841-pat00098
    에 대해서 미분한 것이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신 노드는, 상기 보안 전송률을 가지는 최적의 재밍 노이즈 전송 파워인 제2 파워는 아래와 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00099

    여기서, 최적의 재밍 노이즈 전송 파워인 제2 파워는 상기
    Figure 112021134266841-pat00100
    을 만족하는 파워이다.
  10. 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법에 있어서,
    수신 노드에서, 중계 노드와의 채널 추정을 수행하는 단계;
    송신 노드에서, 정보 신호를 설정된 파워로 중계 노드로 전송하는 단계;
    수신 노드에서, 상기 송신 노드에서 중계 노드로 정보 신호의 전송 시점과 동시에, 제1 파워를 이용하여 상기 중계 노드로 재밍 노이즈 신호를 전송하는 단계;
    중계 노드에서, 상기 송신 노드로부터 전송된 정보 신호와, 수신 노드로부터 전송되는 재밍 노이즈 신호를 포함하는 신호를 증폭하여 수신 노드로 전송하는 단계; 및
    수신 노드에서, 상기 중계 노드로부터 전송되는 신호 및 채널 추정에 따른 재밍 노이즈 신호 전송에 대한 최적의 보안 전송률을 갖는 제2 파워를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 수신 노드에서, 상기 선택된 제2 파워를 이용하여 재밍 노이즈 신호를 중계 노드로 전송하는 단계;
    상기 중계 노드로부터 수신되는 상기 재밍 노이즈 신호 및 송신 노드로부터 전송되는 정보 신호를 포함하는 신호에 대하여 상기 추정된 채널에 대한 정보를 기반으로 간섭 제거 기법을 이용하여 정보 신호를 복호화하는 단계를 더 포함하며,
    상기 송신 노드와 중계 노드간에는 제1 페이즈로 동작하고, 중계 노드와 수신 노드간에는 제2 페이즈(Phase)로 동작하며, 각각의 페이즈는 T/2 만큼 동작하고,
    상기 제1 페이즈는, 하기의 수학식을 이용하여 동작하는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112022004051963-pat00101

    여기서, 중계 노드가 수신한 신호는
    Figure 112022004051963-pat00102
    이고, 이때 중계 노드의 Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio(SINR)
    Figure 112022004051963-pat00103
    는
    Figure 112022004051963-pat00104
    이며, 송신 노드의 송신 Signal-to-Noise-Ratio(SNR)인
    Figure 112022004051963-pat00105
    가 매우 크다고 가정한다.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 페이즈를 통해 수신 노드에서 수신한 신호는, 하기의 수학식을 이용하여 동작하는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112022004051963-pat00106

    Figure 112022004051963-pat00107

    여기서, 중계 노드에서 증폭 계수
    Figure 112022004051963-pat00108
    로 증폭 후 수신노드로 전달된 신호는
    Figure 112022004051963-pat00109
    .
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수신 노드에서, 자기 재밍 노이즈 신호를 제거한 후, 수신 노드가 수신한 신호는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00110

    Figure 112021134266841-pat00111

    여기서, 중계 노드와 수신 노드 사이의 채널
    Figure 112021134266841-pat00112
    독립인 채널추정오류는
    Figure 112021134266841-pat00113
    로 나타내며, 평균이 0이고 분산이
    Figure 112021134266841-pat00114
    인 Complex Gaussian 분포를 따른다. 또한, 채널추정오류와 함께 추정된 채널
    Figure 112021134266841-pat00115
    는
    Figure 112021134266841-pat00116
    Figure 112021134266841-pat00117
    와 같이 나타내며,
    Figure 112021134266841-pat00118
    도 평균이 0이고 분산이
    Figure 112021134266841-pat00119
    인 Complex Gaussian 분포를 따른다. 이때, 수신 노드는 추정된 채널
    Figure 112021134266841-pat00120
    에 대한 정보를 바탕으로 수신된 신호
    Figure 112021134266841-pat00121
    에서 재밍 노이즈 부분인
    Figure 112021134266841-pat00122
    를 제거할 수 있다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 청구항 6의 수학식을 통해 수신 노드에서의 SINR은 아래의 수학식과 같이 표현되며, 아래 수학식에 따라 SINR은 채널 추정오류로 인해 생긴 잔류 재밍 노이즈와 디코딩 되지 못한 소스 신호에 의해 감소되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00123
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수신 노드에서의 보안 전송율은 정당한 링크의 채널 용량과 도청자의 채널 용량간의 차로 정의되며, 아래의 수학식과 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00124

    Figure 112021134266841-pat00125

    Figure 112021134266841-pat00126

    여기서,
    Figure 112021134266841-pat00127
    ,
    Figure 112021134266841-pat00128
    이고,
    Figure 112021134266841-pat00129
    는
    Figure 112021134266841-pat00130
    에 대하여 단조증가 하므로,
    Figure 112021134266841-pat00131
    대신에
    Figure 112021134266841-pat00132
    를
    Figure 112021134266841-pat00133
    에 대하여 최적화하고,
    Figure 112021134266841-pat00134
    를 치환하고
    Figure 112021134266841-pat00135
    에 대해서 미분한 것이다.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수신 노드는, 상기 보안 전송률을 가지는 최적의 재밍 노이즈 전송 파워인 제2 파워는 아래와 같이 표현되는 것인 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 방법.
    [수학식]
    Figure 112021134266841-pat00136

    여기서, 최적의 재밍 노이즈 전송 파워인 제2 파워는 상기
    Figure 112021134266841-pat00137
    을 만족하는 파워이다.
KR1020210161149A 2021-11-22 2021-11-22 채널추정오류와 비신뢰적 중계 노드가 있는 무선통신시스템의 보안 성능 향상을 위한 재밍 파워 선택 시스템 및 그 방법 KR102358613B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116131883A (zh) * 2022-11-01 2023-05-16 中国计量大学 基于swipt不可信中继下多用户干扰混合rf/fso系统及安全传输方法

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KR20200050652A (ko) * 2018-11-02 2020-05-12 고려대학교 산학협력단 협력 재밍과 스푸핑을 이용한 무선 통신 채널 감시 시스템 및 방법
KR20200085429A (ko) * 2019-01-07 2020-07-15 한국과학기술원 협력 재밍을 이용한 적응적 이중 중계 모드 선택 방법 및 시스템

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