KR102448059B1 - 통신 시스템에서 비밀키를 사용한 통신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

통신 시스템에서 비밀키를 사용한 통신 방법 및 장치가 개시된다. 제1 통신 노드의 동작 방법은, 제2 통신 노드로부터 수신된 파일럿 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 단계, 추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북을 생성하는 단계, 상기 제1 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계, 상기 제2 통신 노드로부터 상기 제1 채널 코드북의 사용 가능한 것을 지시하는 ACK을 수신하는 단계, 및 상기 제1 채널 코드북을 사용하여 제1 비밀키를 생성하는 단계를 포함한다. 따라서 통신 시스템의 보안성이 향상될 수 있다.

Description

통신 시스템에서 비밀키를 사용한 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COMMUNICATIONS USING SECRET KEY IN COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 비밀키를 사용한 통신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 반송파를 지원하는 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 기초로 생성된 비밀키를 사용한 통신 기술에 관한 것이다.
급증하는 무선 데이터의 처리를 위해, LTE(long term evolution)(또는, LTE-A)의 주파수 대역(예를 들어, 6GHz 이하의 주파수 대역)보다 높은 주파수 대역(예를 들어, 6GHz 이상의 주파수 대역)을 사용하는 통신 시스템(예를 들어, NR(new radio) 통신 시스템)이 고려되고 있다. NR 통신 시스템은 6GHz 이하의 주파수 대역뿐만 아니라 6GHz 이상의 주파수 대역을 지원할 수 있고, LTE 통신 시스템에 비해 다양한 통신 서비스 및 시나리오를 지원할 수 있다. 예를 들어, NR 통신 시스템의 사용 시나리오(usage scenario)는 eMBB(enhanced Mobile BroadBand), URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication), mMTC(massive Machine Type Communication) 등을 포함할 수 있다.
통신 시스템(예를 들어, LTE 통신 시스템 또는 NR 통신 시스템)에서 신호는 공기 중으로 방사되므로, 도청 및/또는 감청(이하, "도감청"이라 함)의 위험이 항상 존재할 수 있다. 도감청을 방지하기 위한 방법은 크게 비밀키(예를 들어, 보안키)를 사용하는 방법과 비밀키를 사용하지 않는 방법으로 분류될 수 있다. 비밀키를 사용하지 않는 방법은 물리 계층의 보안 방법일 수 있다. 비밀키를 사용하지 않는 방법에서, 송신기와 수신기 간의 채널 특성은 송신기와 도감청기 간의 채널 특성에 비해 좋기 때문에, 보안된 정보는 채널 특성에 기초하여 전송될 수 있다.
비밀키를 사용하는 방법은 사전에 분배된 비밀키를 사용하여 데이터를 인코딩/디코딩하는 방법일 수 있다. 완전 보안 통신을 위해서는 전송될 데이터의 길이와 동일한 길이를 가지는 비밀키가 필요할 수 있다. 또한, 지속적인 완전 보안 통신을 위해서는 비밀키를 주기적으로 제공하는 것이 필수적이다. 그러나 비밀키를 주기적으로 제공하는 동작의 구현 난이도는 비현실적으로 높다. 따라서 실제 통신 시스템에서 비밀키를 주기적으로 제공하는 동작을 우회하는 방법으로 보안 통신이 수행되고 있다.
비밀키를 주기적으로 제공하는 동작의 구현은 두 가지 측면에서 어려움을 가질 수 있다. 비밀키를 송신기와 수신기에 제공하는 경우, 무한히 긴 비밀키를 제공해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 미리 정의된 무리수가 사용될 수 있다. 또한, 비밀키가 무선 채널을 통해 지속적으로 제공되는 경우, 도감청에 의해 비밀키가 탈취/유출됨으로써 보안성이 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 비밀키는 양자 통신 방식으로 제공될 수 있다.
그러나 미리 정의된 무리수를 사용하는 방법은 계산량이 점차 증가하기 때문에 지속적인 사용이 불가능할 수 있고, 양자 통신은 아직 실험실 단계이기 때문에 구현 난이도가 매우 높을 수 있다. 이러한 기술적 한계로 인하여, 실제 통신 시스템에서, 제한된 길이를 가지는 난수표를 사용하여 비밀키를 생성하는 방법, OTP(one time password)와 같은 근사 무작위 수열을 사용하여 새로운 비밀키를 생성하는 방법, RSA(Rivest-Shamir-Adleman)와 같이 미리 제공된 비밀키를 비보안 통신을 통해 제공된 공개키와 조합함으로써 비밀키를 생성하는 방법 등이 사용될 수 있다. 이러한 불완전 보안 통신의 보안성은 무작위 시도 공격에 의해 저하될 수 있다. 따라서 완전 보안 통신의 구현 복잡도와 불완전 보안 통신의 보안 취약성을 보완하기 위한 새로운 보안 통신 방법이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다중 반송파를 지원하는 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 기초로 생성된 비밀키를 사용한 통신 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 통신 노드의 동작 방법은, 제2 통신 노드로부터 수신된 파일럿 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 단계, 추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북을 생성하는 단계, 상기 제1 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계, 상기 제2 통신 노드로부터 상기 제1 채널 코드북의 사용 가능 여부를 지시하는 응답을 수신하는 단계, 상기 응답이 상기 제1 채널 코드북이 사용 가능한 것을 지시하는 ACK인 경우, 상기 제1 채널 코드북을 사용하여 제1 비밀키를 생성하는 단계, 및 상기 제1 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합 내에서 선택될 수 있고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합일 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성될 수 있다.
여기서, 상기 추정된 채널 상태의 정보는 채널 분산 정보 및 SINR을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 통신 노드에 의해 생성된 제2 채널 코드북 크기 이하인 경우, 상기 ACK은 상기 제2 통신 노드로부터 수신될 수 있고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 통신 노드의 동작 방법은 상기 제2 통신 노드로부터 데이터를 수신하는 단계, 및 상기 제1 비밀키를 사용하여 상기 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 통신 노드의 동작 방법은 상기 응답이 상기 제1 채널 코드북이 사용 불가능한 것을 지시하는 NACK인 경우, 상기 제2 통신 노드로부터 제2 채널 코드북의 정보를 수신하는 단계, 상기 제2 채널 코드북을 사용하여 제2 비밀키를 생성하는 단계, 및 상기 제2 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 채널 코드북 크기를 초과하는 경우, 상기 NACK은 상기 제2 통신 노드로부터 수신될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 통신 노드의 동작 방법은, 제1 파일럿 신호를 제2 통신 노드에 전송하는 단계, 상기 제2 통신 노드로부터 수신된 제2 파일럿 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 단계, 추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북을 생성하는 단계, 상기 제1 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 기초하여 생성된 제2 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드로부터 수신하는 단계, 상기 제2 채널 코드북의 크기가 상기 제1 채널 코드북의 크기 이하인 경우, 상기 제2 채널 코드북의 크기와 동일하도록 상기 제1 채널 코드북의 크기를 조절하는 단계, 및 상기 제2 채널 코드북이 사용 가능한 것을 지시하는 ACK을 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제1 통신 노드의 동작 방법은 크기가 조절된 제1 채널 코드북을 사용하여 제1 비밀키를 생성하는 단계, 및 상기 제1 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 통신 노드의 동작 방법은 상기 제2 채널 코드북의 크기가 상기 제1 채널 코드북의 크기를 초과하는 경우, 상기 제2 채널 코드북이 사용 불가능한 것을 지시하는 NACK을 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계, 및 상기 제1 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북 및 상기 제2 채널 코드북 각각은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합 내에서 선택될 수 있고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 제2 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합일 수 있고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합일 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북은 상기 제2 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 통신 노드는 제2 통신 노드로부터 수신된 파일럿 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 채널 추정기, 추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북을 생성하는 채널 코드북 생성기, 상지 제1 채널 코드북에 기초하여 비밀키를 생성하는 비밀키 코드북 생성기, 상기 비밀키를 사용하여 송신 데이터에 대한 암호화 동작을 수행하는 암호화기, 및 상기 비밀키를 사용하여 수신 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행하는 암호 해독기를 포함한다.
여기서, 상기 추정된 채널 상태의 정보는 채널 분산 정보 및 SINR을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합 내에서 선택될 수 있고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합일 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 통신 노드에 의해 생성된 제2 채널 코드북 크기 이하인 경우, 상기 비밀키는 상기 제1 채널 코드북을 사용하여 생성될 수 있고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 통신 노드에 의해 생성된 제2 채널 코드북 크기를 초과하는 경우, 상기 비밀키는 상기 제2 채널 코드북의 크기와 동일하게 조절된 제1 채널 코드북을 사용하여 생성될 수 있고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 통신 노드가 전이중 통신을 지원하는 경우, 상기 암화기에서 사용된 상기 비밀키는 미리 설정된 시간 이후에 상기 암호 해독기에서 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 통신을 수행하는 통신 노드들 각각은 동기화된 채널 코드북에 기초하여 비밀키를 생성할 수 있다. 따라서 통신 노드들 간에 비밀키의 교환 절차는 수행되지 않으므로, 통신 절차는 간소화될 수 있고, 보안성은 향상될 수 있다. 비밀키의 교환 절차는 무선 채널 대신에 다른 매체를 통해 수행되는데, 본 발명에서 다른 매체는 사용되지 않을 수 있다.
또한, 완전 보안된 형태로 비밀키가 제공될 수 있다. 예를 들어, 송신기와 수신기 간의 채널과 송신기와 도감청기 간의 채널 간에 공간적 비연관성이 존재하면, 완전 보안된 형태로 비밀키가 공유될 수 있다. 또한, 비밀키는 지속적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 시간에 따라 채널 상태가 변화하는 경우, 변화된 채널 상태에 따른 비밀키가 지속적으로 생성될 수 있다. 따라서 통신 시스템의 보안성 및 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제2 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4는 통신 시스템에서 채널 코드북의 동기화 방법을 제1 실시예를 도시한 순서도이다.
도 5는 통신 시스템에서 동기화된 채널 코드북을 기초로 결정된 비밀키를 사용한 통신 방법의 제1 실시예를 도시한 순서도이다.
도 6는 통신 시스템에서 제1 통신 노드에 의해 사용되는 자원을 도시한 개념도이다.
도 7은 통신 시스템에서 제2 통신 노드에 의해 사용되는 자원을 도시한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.
도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 복수의 통신 노드들은 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 4G 통신(예를 들어, LTE(long term evolution), LTE-A(advanced)), 5G 통신(예를 들어, NR(new radio)) 등을 지원할 수 있다. 4G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역에서 수행될 수 있고, 5G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역뿐만 아니라 6GHz 이상의 주파수 대역에서 수행될 수 있다.
예를 들어, 4G 통신 및 5G 통신을 위해 복수의 통신 노드들은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, Filtered OFDM 기반의 통신 프로토콜, CP(cyclic prefix)-OFDM 기반의 통신 프로토콜, DFT-s-OFDM(discrete Fourier transform-spread-OFDM) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(Non-orthogonal Multiple Access), GFDM(generalized frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, FBMC(filter bank multi-carrier) 기반의 통신 프로토콜, UFMC(universal filtered multi-carrier) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(Space Division Multiple Access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다.
또한, 통신 시스템(100)은 코어 네트워크(core network)를 더 포함할 수 있다. 통신 시스템(100)이 4G 통신을 지원하는 경우, 코어 네트워크는 S-GW(serving-gateway), P-GW(PDN(packet data network)-gateway), MME(mobility management entity) 등을 포함할 수 있다. 통신 시스템(100)이 5G 통신을 지원하는 경우, 코어 네트워크는 UPF(user plane function), SMF(session management function), AMF(access and mobility management function) 등을 포함할 수 있다.
한편, 통신 시스템(100)을 구성하는 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.
프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 및 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함하는 통신 시스템(100)은 "액세스 네트워크"로 지칭될 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 셀 커버리지(cell coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 셀 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 셀 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 셀 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 셀 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.
여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), gNB, BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node) 등으로 지칭될 수 있다. 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 UE(user equipment), 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device) 등으로 지칭될 수 있다.
한편, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있고, 또는 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 링크(ideal backhaul link) 또는 논(non)-아이디얼 백홀 링크를 통해 서로 연결될 수 있고, 아이디얼 백홀 링크 또는 논-아이디얼 백홀 링크를 통해 서로 정보를 교환할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 링크 또는 논-아이디얼 백홀 링크를 통해 코어 네트워크와 연결될 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 코어 네트워크로부터 수신한 신호를 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)에 전송할 수 있고, 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로부터 수신한 신호를 코어 네트워크에 전송할 수 있다.
또한, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 MIMO 전송(예를 들어, SU(single user)-MIMO, MU(multi user)-MIMO, 대규모(massive) MIMO 등), CoMP(coordinated multipoint) 전송, CA(carrier aggregation) 전송, 비면허 대역(unlicensed band)에서 전송, 단말 간 직접 통신(device to device communication, D2D)(또는, ProSe(proximity services)) 등을 지원할 수 있다. 여기서, 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)과 대응하는 동작, 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)에 의해 지원되는 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 기지국(110-2)은 SU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 SU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 또는, 제2 기지국(110-2)은 MU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 MU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다.
제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 CoMP 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 CoMP 방식에 의해 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 자신의 셀 커버리지 내에 속한 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)과 CA 방식을 기반으로 신호를 송수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 제4 단말(130-4)과 제5 단말(130-5) 간의 D2D를 제어할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각의 제어에 의해 D2D를 수행할 수 있다.
다음으로, 통신 시스템에서 비밀키(예를 들어, 보안키)를 사용한 통신 방법들이 설명될 것이다. 통신 노드들 중에서 제1 통신 노드에서 수행되는 방법(예를 들어, 신호의 전송 또는 수신)이 설명되는 경우에도 이에 대응하는 제2 통신 노드는 제1 통신 노드에서 수행되는 방법과 상응하는 방법(예를 들어, 신호의 수신 또는 전송)을 수행할 수 있다. 즉, 단말의 동작이 설명된 경우에 이에 대응하는 기지국은 단말의 동작과 상응하는 동작을 수행할 수 있다. 반대로, 기지국의 동작이 설명된 경우에 이에 대응하는 단말은 기지국의 동작과 상응하는 동작을 수행할 수 있다.
아래 실시예들은 LTE 통신 시스템, NR 통신 시스템, WLAN(wireless local area network) 통신 시스템 등에 적용될 수 있다. 통신 시스템(예를 들어, LTE 통신 시스템, NR 통신 시스템, WLAN 통신 시스템 등)에서 통신 노드들(예를 들어, 기지국, 단말)은 비밀키를 사용하여 통신을 수행할 수 있다. 비밀키는 통신 노드들 간의 채널 상태 정보에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 아래의 3가지 조건들이 만족하는 경우, 완전 보안된 형태의 비밀키는 송신기와 수신기에 지속적으로 공급될 수 있다. 아래 실시예들에서 비밀키는 보안키를 의미할 수 있다.
- 조건 1: 시간에 따른 채널 상태의 변화
- 조건 2: 채널의 대칭성
- 조건 3: 송신기와 수신기 간의 채널과 송신기와 도감청기 간의 채널의 공간적 비연관성
송신기 및 수신기 각각은 송신기와 수신기 간의 채널 상태에 기초하여 비밀키를 생성할 수 있고, 생성된 비밀키를 사용하여 통신을 수행할 수 있다. 하향링크 통신에서 송신기는 기지국일 수 있고, 수신기는 단말일 수 있다. 상향링크 통신에서 송신기는 단말일 수 있고, 수신기는 기지국일 수 있다. 사이드링크(sidelink) 통신에서 송신기는 제1 단말일 수 있고, 수신기는 제2 단말일 수 있다. 송신기 및 수신기 각각은 아래와 같이 구성될 수 있다.
도 3은 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제2 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 통신 노드(예를 들어, 송신기 및 수신기)는 암호화기(encryption unit), 변조기(modulator), 제어 정보 생성기(generator), 페이로드 생성기, FFT(fast Fourier transform), IFFT(inverse fast Fourier transform), 채널 추정기(channel estimator), 이퀄라이저(equalizer), 복조기(demodulator), 암호 해독기(decryption unit), 채널 코드북 생성기, 비밀키 코드북 생성기 등을 포함할 수 있다. 암호화기, 변조기, 제어 정보 생성기, 페이로드 생성기, FFT, IFFT, 채널 추정기, 이퀄라이저, 복조기, 암호 해독기, 채널 코드북 생성기, 및 비밀키 코드북 생성기의 동작들은 도 2에 도시된 프로세서(210)에 의해 수행될 수 있다.
통신 노드는 TDM 방식 또는 전이중(full duplex) 방식으로 통신을 수행할 수 있다. 통신 노드가 전이중 방식을 지원하는 경우, 통신 노드는 송신 신호를 처리하는 유닛들에 연결된 송신 안테나와 수신 신호를 처리하는 유닛들에 연결된 수신 안테나를 포함할 수 있다.
통신 노드는 기존 통신 노드에 비해 채널 코드북 생성기 및 비밀키 코드북 생성기를 더 포함할 수 있다. 채널 코드북 생성기는 채널 추정기로부터 획득된 추정된 채널 분산 정보, 복조기로부터 획득된 SINR(signal to interference plus noise ratio) 등에 기초하여 채널 코드북(예를 들어, 채널 코드북의 길이)을 결정할 수 있다. 채널 코드북 생성기에서 결정된 채널 코드북은 비밀키 코드북 생성기로 전달될 수 있다.
또한, 채널 코드북 생성기에서 결정된 채널 코드북의 정보는 상대 통신 노드에 전송될 수 있다. 예를 들어, 채널 코드북의 정보를 포함하는 SIG(signal) 필드는 상대 통신 노드에 전송될 수 있다. 또는, 상대 통신 노드에서 결정된 채널 코드북의 정보를 포함하는 SIG 필드는 상대 통신 노드로부터 수신될 수 있다. 상대 통신 노드로부터 수신된 채널 코드북이 사용 가능한 경우, 상대 통신 노드에 의해 제안된 채널 코드북이 수락된 것을 지시하는 ACK(acknowledgement)은 상대 통신 노드로 전송될 수 있다.
비밀키 코드북 생성기는 채널 코드북 생성기로부터 획득된 채널 코드북에 기초하여 비밀키 코드북을 생성할 수 있다. 비밀키 코드북은 채널 코드북의 부분 집합(sub set)일 수 있다. 비밀키 코드북 생성기는 비밀키 코드북 내에서 비밀키를 선택할 수 있고, 선택된 비밀키는 암호화기 및 암호 해독기에 전달될 수 있다. 암호화기는 비밀키 코드북으로부터 획득된 비밀키를 사용하여 데이터에 대한 암호화 동작을 수행할 수 있다. 암호 해독기는 비밀키 코드북으로부터 획득된 비밀키를 사용하여 비트 스트림(예를 들어, 복조기로부터 획득된 비트 스트림)에 대한 암호 해독 동작을 수행함으로써 데이터를 획득할 수 있다.
■ 채널 코드북 생성기의 상세 동작
통신 노드(예를 들어, 송신기 및 수신기)는 미리 정의된 채널 코드북들(예를 들어, 비밀키 생성을 위해 사용되는 채널 코드북들)의 집합을 가지고 있을 수 있다. 송신기가 가지고 있는 미리 정의된 채널 코드북들의 집합은 수신기가 가지고 있는 미리 정의된 채널 코드북들의 집합과 동일할 수 있다. 미리 정의된 채널 코드북들은 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 채널 코드북 생성기는 현재의 목적 채널의 상태와 간섭 채널의 상태에 기초하여 미리 정의된 채널 코드북들 중에서 하나 이상의 채널 코드북들을 선택할 수 있다.
채널 코드북은 추정된 채널 상태의 아날로그 값을 디지털 값으로 표현하기 위한 벡터 양자화 집합(vector quantization set)일 수 있다. 예를 들어, N 차원의 벡터(N dimensional vector)를 표현하기 위하여 B-비트 롱 인덱스(B-bits long index)가 사용되는 경우, 2B개의 N 차원의 벡터들은 채널 코드북의 엘리먼트들(elements)일 수 있고, 2B개의 N 차원의 벡터들 중에서 추정된 채널과 가장 유사한 N 차원의 벡터의 인덱스가 선택될 수 있다. B는 채널 코드북의 인덱스 길이일 수 있다.
N개의 물리적 안테나들을 가지는 송신기와 N개의 물리적 안테나들을 가지는 수신기 간의 통신이 수행되는 경우, 송신기와 수신기 간의 채널은 각 엘리먼트가 iid(independent and identically distributed) 가우시안(Gaussian)인 N×N 행렬로 가정될 수 있다. N×N 행렬인 vec(H)은 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00001
Figure 112019125005344-pat00002
는 평균 채널 크기(average channel magnitude)일 수 있다. CN은 복소 가우시안 분포(complex Gaussian distribution)를 의미할 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00003
은 N2×N2 크기의 단위 행렬(identity matrix)일 수 있다. 멀티-차원의 가우시안 벡터를 위한 다양한 벡터 양자화 동작은 기존 방법들에 기초하여 수행될 수 있다. 차원이 충분히 크고, 채널 코드북의 엘리먼트들의 개수가 충분히 많은 경우, 아래 수학식 2가 정의될 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00004
추정된 채널의 양자화 에러 벡터(
Figure 112019125005344-pat00005
)는 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00006
채널 추정 에러는 크게 두 가지의 요인들로 인하여 발생할 수 있다. 첫 번째 요인은 채널 추정 절차에서 파일럿 오염(pilot contamination)으로 인한 추정 에러일 수 있다. 여기서, 파일럿은 참조 신호(reference signal)일 수 있다. 두 번째 요인은 추정된 채널 상태 정보의 양자화 절차에서 발생하는 양자화 에러일 수 있다. 추정된 채널 상태 정보의 양자화 절차에서 채널 코드북의 크기가 충분히 크면 양자화 에러가 제거될 수 있으나, 채널 코드북의 크기가 증가함에 따라 채널 코드북의 인덱스 길이도 증가할 수 있다. 이 경우, 채널 코드북의 인덱스의 피드백 절차에서 오버헤드(overhead)가 증가할 수 있다.
채널 코드북 생성기는 아래 수학식 4에 기초하여 채널 코드북의 인덱스 길이(B)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 채널 코드북 생성기는 아래 수학식 4를 만족하는 B의 값들 중에서 가장 큰 값을 채널 코드북의 인덱스 길이로 결정할 수 있다. 수학식 4에 따라 결정된 B에 기초하여 채널 코드북의 크기가 결정될 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00007
IPC는 파일럿 오염에 따른 간섭의 주위 잡음(ambient noise) 대비 상대 전력일 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00008
는 채널 코드북 크기의 결정 계수일 수 있다. 예를 들어,
Figure 112019125005344-pat00009
는 6dB일 수 있다.
한편, 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신(예를 들어, TDM 기반의 통신 또는 전이중 기반의 통신)이 수행되는 경우, 통신 노드들은 서로 다른 파일럿 오염에 의한 간섭을 경험하기 때문에 제1 통신 노드에 의해 생성된 채널 코드북(이하, "제1 채널 코드북"이라 함)은 제2 통신 노드에 의해 생성된 채널 코드북(이하, "제2 채널 코드북"이라 함)과 다를 수 있다. 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북을 제2 통신 노드에 알려줄 수 있고, 제2 통신 노드는 제2 채널 코드북을 제1 통신 노드에 알려줄 수 있다.
예를 들어, 제1 통신 노드는 제2 통신 노드로부터 제2 채널 코드북의 정보를 획득할 수 있다. 제1 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기가 제1 채널 코드북의 크기 이하인 경우에 제1 채널 코드북의 크기를 제2 채널 코드북의 크기에 동기화시킬 수 있다. 채널 코드북의 동기화가 완료된 경우, 제1 통신 노드는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제2 채널 코드북이 사용되는 것을 지시하는 ACK을 제2 통신 노드에 전송할 수 있다. 그 후에, 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간에 동기화된 채널 코드북은 제1 통신 노드의 비밀키 코드북 생성기로 전달될 수 있다. 제1 통신 노드로부터 ACK이 수신된 경우, 제2 통신 노드는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제2 채널 코드북이 사용되는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 제2 채널 코드북은 제2 통신 노드의 비밀키 코드북 생성기로 전달될 수 있다.
반면, 제1 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기가 제1 채널 코드북의 크기 초과인 경우에 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제2 채널 코드북이 사용되는 않는 것을 지시하는 NACK(negative ACK)을 제2 통신 노드에 전송할 수 있다. 또한, 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북의 정보를 제2 통신 노드에 알려줄 수 있다. 제1 통신 노드로부터 NACK이 수신된 경우, 제2 통신 노드는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제2 채널 코드북이 사용되지 않는 것으로 판단할 수 있다. 그리고 제1 채널 코드북의 정보가 제1 통신 노드로부터 수신되면, 제2 통신 노드는 제1 채널 코드북의 크기와 제2 채널 코드북의 크기를 비교할 수 있다.
제2 통신 노드는 제1 채널 코드북의 크기가 제2 채널 코드북의 크기 이하인 경우에 제2 채널 코드북의 크기를 제1 채널 코드북의 크기에 동기화시킬 수 있다. 채널 코드북의 동기화가 완료된 경우, 제2 통신 노드는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제1 채널 코드북이 사용되는 것을 지시하는 ACK을 제1 통신 노드에 전송할 수 있다. 그 후에, 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간에 동기화된 채널 코드북은 제2 통신 노드의 비밀키 코드북 생성기로 전달될 수 있다. 제2 통신 노드로부터 ACK이 수신된 경우, 제1 통신 노드는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 제1 채널 코드북이 사용되는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 제1 채널 코드북은 제1 통신 노드의 비밀키 코드북 생성기로 전달될 수 있다.
■ 비밀키 코드북 생성기의 상세 동작
비밀키 코드북은 채널 코드북과 독립적으로 존재할 수 있다. 비밀키 코드북은 채널 코드북의 엘리먼트 집합의 부분 집합일 수 있다. 비밀키 코드북의 인덱스 길이는 D일 수 있고, D는 B(즉, 채널 코드북의 인덱스 길이) 이하일 수 있다. 통신 노드(예를 들어, 송신기 및 수신기)는 미리 정의된 비밀키 코드북들의 집합을 가지고 있을 수 있다. 송신기가 가지고 있는 미리 정의된 비밀키 코드북들의 집합은 수신기가 가지고 있는 미리 정의된 비밀키 코드북들의 집합과 동일할 수 있다. 비밀키 코드북의 각 엘리먼트는 평균적으로 채널 코드북의 2(B-D)개의 엘리먼트들과 대응할 수 있다.
비밀키 코드북 생성기는 아래 수학식 5에 기초하여 비밀키 코드북의 인덱스 길이(D)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 비밀키 코드북 생성기는 아래 수학식 5를 만족하는 D의 값들 중에서 가장 큰 값을 비밀키 코드북의 인덱스 길이로 결정할 수 있다.
Figure 112019125005344-pat00010
Figure 112019125005344-pat00011
는 채널 코드북 크기의 결정 계수일 수 있다. 예를 들어,
Figure 112019125005344-pat00012
는 15dB일 수 있다. 비밀키 코드북의 인덱스 길이(D)가 결정된 경우, 데이터 전송을 위해 min(B,D)-비트 롱 인덱스가 비밀키로 사용될 수 있다. 예를 들어, 송신 절차에서 min(B,D)-비트 롱 인덱스에 해당하는 비밀키는 데이터의 암호화 동작을 위해 사용될 수 있고, 수신 절차에서 min(B,D)-비트 롱 인덱스에 해당하는 비밀키는 데이터의 암호 해독 동작을 위해 사용될 수 있다. 전이중 기반의 통신 절차에서, 비밀키는 일정한 지연(예를 들어, 미리 정의된 시간) 또는 데이터 카운트(count) 이후에 수신된 데이터의 암호 해독 동작을 위해 사용될 수 있다.
다음으로, 비밀키를 사용한 통신 방법이 설명될 것이다.
도 4는 통신 시스템에서 채널 코드북의 동기화 방법을 제1 실시예를 도시한 순서도이도, 도 5는 통신 시스템에서 동기화된 채널 코드북을 기초로 결정된 비밀키를 사용한 통신 방법의 제1 실시예를 도시한 순서도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 통신 시스템은 제1 통신 노드 및 제2 통신 노드를 포함할 수 있다. 제1 통신 노드가 기지국인 경우, 제2 통신 노드는 단말일 수 있다. 또는, 제1 통신 노드가 단말인 경우, 제2 통신 노드는 기지국일 수 있다. 사이드링크 통신에서 제1 통신 노드는 제1 단말일 수 있고, 제2 통신 노드는 제2 단말일 수 있다. 제1 통신 노드 및 제2 통신 노드 각각은 도 3에 도시된 통신 노드와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 노드 및 제2 통신 노드 각각은 암호화기, 변조기, 제어 정보 생성기, 페이로드 생성기, FFT, IFFT, 채널 추정기, 이퀄라이저, 복조기, 암호 해독기, 채널 코드북 생성기, 비밀키 코드북 생성기 등을 포함할 수 있다.
제1 통신 노드 및 제2 통신 노드 각각은 파일럿 신호, SIG 필드, 및 데이터 중에서 적어도 하나를 전송할 수 있다. 파일럿 신호, SIG 필드, 및 데이터의 전송을 위해 사용되는 자원은 다음과 같이 설정될 수 있다.
도 6는 통신 시스템에서 제1 통신 노드에 의해 사용되는 자원을 도시한 개념도이다.
도 6를 참조하면, 하나의 시간 영역은 7개의 심볼들(예를 들어, 심볼 #0 내지 #6)을 포함할 수 있고, 하나의 주파수 영역은 24개의 서브캐리어들(예를 들어, 서브캐리어 #0 내지 #23)을 포함할 수 있다. 제1 통신 노드는 심볼 #0 내지 #3에서 데이터를 전송할 수 있다. TDM 기반의 통신 시스템에서 심볼 #4 내지 #6은 제2 통신 노드의 데이터 전송을 위해 사용될 수 있다.
제1 통신 노드는 심볼 #0 및 #4에서 파일럿 신호를 전송할 수 있다. 파일럿 신호는 참조 신호(예를 들어, CSI-RS(channel state information-reference signal), DM-RS(demodulation-reference signal), PT-RS(phase tracking-reference signal) 등)일 수 있다. 파일럿 신호는 주파수 축에서 일정한 간격(예를 들어, 5개의 서브캐리어들)으로 자원에 매핑될 수 있다.
제1 통신 노드는 심볼 #0에서 SIG 필드를 전송할 수 있다. SIG 필드는 제어 정보, 시스템 정보 등을 포함할 수 있다. SIG 필드는 주파수 축에서 일정한 간격(예를 들어, 5개의 서브캐리어들)으로 자원에 매핑될 수 있다.
도 7은 통신 시스템에서 제2 통신 노드에 의해 사용되는 자원을 도시한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 하나의 시간 영역은 7개의 심볼들(예를 들어, 심볼 #0 내지 #6)을 포함할 수 있고, 하나의 주파수 영역은 24개의 서브캐리어들(예를 들어, 서브캐리어 #0 내지 #23)을 포함할 수 있다. 제2 통신 노드는 심볼 #4 내지 #6에서 데이터를 전송할 수 있다. TDM 기반의 통신 시스템에서 심볼 #0 내지 #3은 제1 통신 노드의 데이터 전송을 위해 사용될 수 있다.
제2 통신 노드는 심볼 #1 및 #5에서 파일럿 신호를 전송할 수 있다. 파일럿 신호는 참조 신호(예를 들어, CSI-RS, DM-RS, PT-RS 등)일 수 있다. 파일럿 신호는 주파수 축에서 일정한 간격(예를 들어, 5개의 서브캐리어들)으로 자원에 매핑될 수 있다. 제2 통신 노드는 심볼 #4에서 SIG 필드를 전송할 수 있다. SIG 필드는 제어 정보, 시스템 정보 등을 포함할 수 있다. SIG 필드는 주파수 축에서 일정한 간격(예를 들어, 5개의 서브캐리어들)으로 자원에 매핑될 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 통신 노드는 파일럿 신호를 제2 통신 노드에 전송할 수 있다(S401). 파일럿 신호는 도 6에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있고, 미리 설정된 주기에 따라 전송될 수 있다. 파일럿 신호는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하기 위해 사용될 수 있다.
제2 통신 노드는 제1 통신 노드로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있고, 파일럿 신호에 기초하여 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 채널을 추정할 수 있다(S402). 제2 통신 노드는 추정된 채널 상태 정보에 기초하여 채널 코드북(이하, "제2 채널 코드북"이라 함)을 결정할 수 있다(S403). 단계 S403에서 제2 채널 코드북의 인덱스의 길이가 결정될 수 있다. 단계 S403은 도 3에 도시된 채널 코드북 생성기에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 제2 통신 노드는 앞서 설명된 수학식 1 내지 4를 사용하여 제2 채널 코드북의 인덱스 길이(B)를 결정할 수 있다.
한편, 제2 통신 노드는 파일럿 신호를 제1 통신 노드에 전송할 수 있다(S404). 파일럿 신호는 도 7에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있고, 미리 설정된 주기에 따라 전송될 수 있다. 파일럿 신호는 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 단계 S404는 단계 S402 또는 단계 S403 이전에 수행될 수 있다.
제1 통신 노드는 제2 통신 노드로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있고, 파일럿 신호에 기초하여 제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간의 채널을 추정할 수 있다(S405). 제1 통신 노드는 추정된 채널 상태 정보에 기초하여 채널 코드북(이하, "제1 채널 코드북"이라 함)을 결정할 수 있다(S406). 단계 S406에서 제1 채널 코드북의 인덱스의 길이가 결정될 수 있다. 단계 S406은 도 3에 도시된 채널 코드북 생성기에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 노드는 앞서 설명된 수학식 1 내지 4를 사용하여 제1 채널 코드북의 인덱스 길이(B)를 결정할 수 있다.
제1 통신 노드는 단계 S406에서 결정된 제1 채널 코드북의 정보(예를 들어, 제1 채널 코드북의 인덱스 길이)를 포함하는 SIG 필드를 제2 통신 노드에 전송할 수 있다(S407). SIG 필드는 도 6에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있다.
제2 통신 노드는 제1 통신 노드로부터 SIG 필드를 수신함으로써 제1 채널 코드북의 정보를 획득할 수 있다. 제2 통신 노드는 제1 채널 코드북의 크기(예를 들어, 제1 채널 코드북의 인덱스 길이)와 제2 채널 코드북의 크기(예를 들어, 제2 채널 코드북의 인덱스 길이)를 비교할 수 있다(S408). 제1 채널 코드북의 크기가 제2 채널 코드북의 크기 이하인 경우, 제2 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기를 제1 채널 코드북의 크기에 동기화시킬 수 있다. 즉, 제2 통신 노드는 제1 채널 코드북의 크기와 동일하도록 제2 채널 코드북의 크기를 조절할 수 있다.
제1 채널 코드북과 제2 채널 코드북 간의 동기화가 완료된 경우, 제2 통신 노드는 제1 채널 코드북과 제2 채널 코드북 간의 동기화가 완료된 것을 지시하는 ACK을 제1 통신 노드에 전송할 수 있다(S409). ACK은 제1 통신 노드에 의해 제안된 제1 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 가능한 것을 지시할 수 있다. 제2 통신 노드로부터 ACK이 수신된 경우, 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 단계 S410 내지 단계 S412는 수행되지 않을 수 있다.
반면, 제1 채널 코드북의 크기가 제2 채널 코드북의 크기를 초과하는 경우, 제2 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기를 제1 채널 코드북의 크기에 동기화시키지 못할 수 있다. 이 경우, 제2 통신 노드는 제1 채널 코드북과 제2 채널 코드북 간의 동기화가 완료되지 않은 것을 지시하는 NACK을 제1 통신 노드에 전송할 수 있다(S409). NACK은 제1 통신 노드에 의해 제안된 제1 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 불가능한 것을 지시할 수 있다. 제2 통신 노드로부터 NACK이 수신된 경우, 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 불가능한 것으로 판단할 수 있다.
제2 통신 노드는 NACK을 전송한 후에 제2 채널 코드북의 정보(예를 들어, 제2 채널 코드북의 인덱스 길이)를 포함하는 SIG 필드를 제1 통신 노드에 전송할 수 있다(S410). SIG 필드는 도 7에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있다.
제1 통신 노드는 제2 통신 노드로부터 SIG 필드를 수신함으로써 제2 채널 코드북의 정보를 획득할 수 있다. 제1 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기(예를 들어, 제2 채널 코드북의 인덱스 길이)와 제1 채널 코드북의 크기(예를 들어, 제1 채널 코드북의 인덱스 길이)를 비교할 수 있다(S411). 제2 채널 코드북의 크기가 제1 채널 코드북의 크기 이하인 경우, 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북의 크기를 제2 채널 코드북의 크기에 동기화시킬 수 있다. 즉, 제1 통신 노드는 제2 채널 코드북의 크기와 동일하도록 제1 채널 코드북의 크기를 조절할 수 있다.
제1 채널 코드북과 제2 채널 코드북 간의 동기화가 완료된 경우, 제1 통신 노드는 제1 채널 코드북과 제2 채널 코드북 간의 동기화가 완료된 것을 지시하는 ACK을 제2 통신 노드에 전송할 수 있다(S412). ACK은 제2 통신 노드에 의해 제안된 제2 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 가능한 것을 지시할 수 있다. 제1 통신 노드로부터 ACK이 수신된 경우, 제2 통신 노드는 제2 채널 코드북이 제1 통신 노드과 제2 통신 노드 간의 통신을 위해 사용 가능한 것으로 판단할 수 있다.
도 4에 도시된 동작들은 주기적 또는 특정 이벤트가 발생한 경우에 수행될 수 있다. 예를 들어, 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태가 변경된 경우(예를 들어, 현재 채널 상태가 이전 채널 상태와 다른 경우), 제1 통신 노드 및 제2 통신 노드 각각은 채널 코드북을 재생성할 수 있고, 재생성된 채널 코드북의 동기화 절차가 수행될 수 있다.
제1 통신 노드와 제2 통신 노드 간에 채널 코드북의 동기화가 완료된 경우, 제1 통신 노드는 동기화된 채널 코드북을 기초로 비밀키를 생성할 수 있다(S413). 단계 S413은 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 노드는 앞서 설명된 수학식 5를 사용하여 비밀키 코드북의 인덱스 길이(D)를 결정할 수 있고, min(B,D)-비트 롱 인덱스를 비밀키로 사용할 수 있다.
또한, 제2 통신 노드는 동기화된 채널 코드북을 기초로 비밀키를 생성할 수 있다(S414). 단계 S414는 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 제2 통신 노드는 앞서 설명된 수학식 5를 사용하여 비밀키 코드북의 인덱스 길이(D)를 결정할 수 있고, min(B,D)-비트 롱 인덱스를 비밀키로 사용할 수 있다.
제1 통신 노드는 비밀키를 사용하여 데이터를 암호화할 수 있다(S415). 예를 들어, 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기는 비밀키를 암호화기에 제공할 수 있고, 암호화기는 비밀키를 사용하여 데이터를 암호화할 수 있다. 제1 통신 노드는 암호화된 데이터를 제2 통신 노드에 전송할 수 있다(S416). 즉, 암호화된 데이터는 변조기, 페이로드 생성기, IFFT, 안테나 등을 거쳐 전송될 수 있다. 암호화된 데이터는 도 6에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있다.
제2 통신 노드는 제1 통신 노드로부터 암호화된 데이터를 수신할 수 있고, 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행할 수 있다(S417). 예를 들어, 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기는 비밀키를 암호 해독기에 제공할 수 있고, 암호 해독기는 비밀키를 사용하여 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행할 수 있다.
한편, 제2 통신 노드는 비밀키를 사용하여 데이터를 암호화할 수 있다(S418). 예를 들어, 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기는 비밀키를 암호화기에 제공할 수 있고, 암호화기는 비밀키를 사용하여 데이터를 암호화할 수 있다. 제2 통신 노드는 암호화된 데이터를 제1 통신 노드에 전송할 수 있다(S419). 즉, 암호화된 데이터는 변조기, 페이로드 생성기, IFFT, 안테나 등을 거쳐 전송될 수 있다. 암호화된 데이터는 도 7에 도시된 자원을 통해 전송될 수 있다.
제1 통신 노드는 제2 통신 노드로부터 암호화된 데이터를 수신할 수 있고, 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행할 수 있다(S420). 예를 들어, 도 3에 도시된 비밀키 코드북 생성기는 비밀키를 암호 해독기에 제공할 수 있고, 암호 해독기는 비밀키를 사용하여 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행할 수 있다.
전이중 기반의 통신 시스템에서 단계 S416 및 단계 S419는 동시에 수행될 수 있다. 이 경우, 비밀키는 단계 S416의 수행 후에 일정한 지연, 미리 정의된 시간, 또는 데이터 카운트 이후에 수신된 데이터의 암호 해독 동작을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 통신 시스템에서 제1 통신 노드의 동작 방법으로서,
    제2 통신 노드로부터 수신된 파일럿(pilot) 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 단계;
    추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북(channel codebook)을 생성하는 단계;
    상기 제1 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계;
    상기 제2 통신 노드로부터 상기 제1 채널 코드북의 사용 가능 여부를 지시하는 응답을 수신하는 단계;
    상기 응답이 상기 제1 채널 코드북이 사용 가능한 것을 지시하는 ACK(acknowledgement)인 경우, 상기 제1 채널 코드북을 사용하여 제1 비밀키를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 ACK는 상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 통신 노드에 의해 생성된 제2 채널 코드북 크기 이하인 경우 전송되고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성되는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합(set) 내에서 선택되고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합(vector quantization set)인, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성되는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추정된 채널 상태의 정보는 채널 분산(variance) 정보 및 SINR(signal to interference plus noise ratio)을 포함하는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 통신 노드의 동작 방법은,
    상기 제2 통신 노드로부터 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 제1 비밀키를 사용하여 상기 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 통신 노드의 동작 방법은,
    상기 응답이 상기 제1 채널 코드북이 사용 불가능한 것을 지시하는 NACK(negative ACK)인 경우,
    상기 제2 통신 노드로부터 제2 채널 코드북의 정보를 수신하는 단계;
    상기 제2 채널 코드북을 사용하여 제2 비밀키를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성되는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 채널 코드북 크기를 초과하는 경우, 상기 NACK은 상기 제2 통신 노드로부터 수신되는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  9. 통신 시스템에서 제1 통신 노드의 동작 방법으로서,
    제1 파일럿(pilot) 신호를 제2 통신 노드에 전송하는 단계;
    상기 제2 통신 노드로부터 수신된 제2 파일럿 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 단계;
    추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북(channel codebook)을 생성하는 단계;
    상기 제1 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 기초하여 생성된 제2 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드로부터 수신하는 단계;
    상기 제2 채널 코드북의 크기가 상기 제1 채널 코드북의 크기 이하인 경우, 상기 제2 채널 코드북의 크기와 동일하도록 상기 제1 채널 코드북의 크기를 조절하는 단계; 및
    상기 제2 채널 코드북이 사용 가능한 것을 지시하는 ACK(acknowledgement)을 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 포함하는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 통신 노드의 동작 방법은,
    크기가 조절된 제1 채널 코드북을 사용하여 제1 비밀키를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 비밀키를 사용하여 암호화된 데이터를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함하는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 통신 노드의 동작 방법은,
    상기 제2 채널 코드북의 크기가 상기 제1 채널 코드북의 크기를 초과하는 경우, 상기 제2 채널 코드북이 사용 불가능한 것을 지시하는 NACK(negative ACK)을 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계; 및
    상기 제1 채널 코드북의 정보를 상기 제2 통신 노드에 전송하는 단계를 더 포함하는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북 및 상기 제2 채널 코드북 각각은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합(set) 내에서 선택되고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 제2 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합(vector quantization set)이고, 상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합인, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북은 상기 제2 파일럿 신호를 기초로 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성되는, 제1 통신 노드의 동작 방법.
  14. 통신 시스템에서 제1 통신 노드로서,
    제2 통신 노드로부터 수신된 파일럿(pilot) 신호에 기초하여 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간의 채널 상태를 추정하는 채널 추정기;
    추정된 채널 상태에 기초하여 제1 채널 코드북(channel codebook)을 생성하는 채널 코드북 생성기;
    상지 제1 채널 코드북의 크기가 상기 제2 통신 노드에 의해 생성된 제2 채널 코드북 크기를 초과하는 경우, 상기 제2 채널 코드북의 크기와 동일하게 조절된 제1 채널 코드북을 사용하여 비밀키를 생성하는 비밀키 코드북 생성기;
    상기 비밀키를 사용하여 송신 데이터에 대한 암호화 동작을 수행하는 암호화기; 및
    상기 비밀키를 사용하여 수신 데이터에 대한 암호 해독 동작을 수행하는 암호 해독기를 포함하며,
    상기 제2 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드로부터 전송된 파일럿 신호에 기초하여 생성되는, 제1 통신 노드.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 추정된 채널 상태의 정보는 채널 분산(variance) 정보 및 SINR(signal to interference plus noise ratio)을 포함하는, 제1 통신 노드.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북은 상기 제1 통신 노드와 상기 제2 통신 노드 간에 미리 정의된 채널 코드북 집합(set) 내에서 선택되고, 상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태에 대한 벡터 양자화 집합(vector quantization set)인, 제1 통신 노드.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 채널 코드북은 상기 추정된 채널 상태가 이전에 추정된 채널 상태에 비해 변경된 경우에 생성되는, 제1 통신 노드.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 통신 노드가 전이중(full duplex) 통신을 지원하는 경우, 상기 암호화기에서 사용된 상기 비밀키는 미리 설정된 시간 이후에 상기 암호 해독기에서 사용되는, 제1 통신 노드.
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