KR20120086497A - Apparatus and method for transmitting secrecy data on a number of transmission channels in a multi-channel communication system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A security data transmission apparatus, method thereof, and multi-channel wireless communication system are provided to transmit data by maximizing security transmission rates in a multi-channel wireless communication environment. CONSTITUTION: A transmission apparatus differentiates CSI(Channel State Information) access levels from multiple channels(300). The transmission apparatus maximizes security capacity(310). The transmission apparatus allocates the transmission power of the multiple channels in order to maximize security transmission rates under maximized security capacity conditions(320). The transmission apparatus executes the beam-forming of a data signal according to transmission power assignment results(330).

Description

보안 데이터 송신장치와 그 방법 및 다중채널 무선통신 시스템 {Apparatus and method for transmitting secrecy data on a number of transmission channels in a multi-channel communication system}Apparatus and method for transmitting secrecy data on a number of transmission channels in a multi-channel communication system}

본 발명의 일 양상은 무선통신 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중채널 무선통신 환경에서 보안 전송률을 최적화하기 위한 전력 제어 및 보안 데이터 전송 기술에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a wireless communication technology, and more particularly, to a power control and secure data transmission technology for optimizing a secure transmission rate in a multi-channel wireless communication environment.

무선통신은 대기(air)로 신호를 송출하거나 대기 중의 신호를 수신하여 통신을 수행하는 방식으로 대기라는 공개된 매체를 이용한다. 따라서 허락받지 않은 제3자가 수신자와 근접하여 위치하고 수신자로 송신되는 신호의 부호화 방식을 알고 있다면, 송신 신호를 도청하여 수신자와 송신자 사이의 비밀 정보를 쉽게 빼낼 수 있는 위험을 가진다.Wireless communication uses an open medium called air in a manner of transmitting a signal to air or receiving a signal in air to perform communication. Therefore, if an unauthorized third party is located in close proximity to the receiver and knows how to encode the signal transmitted to the receiver, there is a risk of eavesdropping on the transmitted signal to easily extract confidential information between the receiver and the sender.

송신자와 수신자가 통신을 수행하는 과정에서, 허락받지 않은 제3자가 송신자와 수신자 사이에서 송수신되는 데이터를 도청하는 통신 모델은 와이너(Wyner)에 의해 처음으로 제안되었다. 그 후로도 무선통신의 브로드캐스팅(broadcasting) 특성 때문에 무선통신에서의 보안 전송률을 높이기 위한 방안들이 연구되고 있다.In the course of the communication between the sender and the receiver, a communication model was first proposed by Weiner in which unauthorized third parties intercepted data transmitted and received between the sender and the receiver. Since then, methods for increasing the secure transmission rate in wireless communication have been studied due to the broadcasting characteristics of wireless communication.

일 양상에 따라, 다중채널 무선통신 환경에서 보안 전송률을 최적화하기 위한 전력 제어 및 보안 데이터 전송 기술을 제안한다.According to an aspect, a power control and secure data transmission technique for optimizing a secure transmission rate in a multi-channel wireless communication environment is proposed.

일 양상에 따른 송신장치가 다중 채널을 통해 데이터를 보안 전송하는 방법은, 다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화하여 보안 용량을 최대화하는 단계와, 최대화된 보안 용량 조건 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 다중 채널의 송신전력을 온-오프(on-off)로 할당하는 단계와, 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍(beamforming)하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a method for transmitting a data securely through multiple channels may include differentiating the degree of access to channel state information for multiple channels according to whether the user taps to maximize security capacity, and secured under the maximum security capacity conditions. Allocating on-off the transmission power of the multi-channel so as to maximize the transmission rate, and beamforming the data signal according to the transmission power allocation result.

다른 양상에 따른 다중채널 무선통신 시스템은, 다중 입력 단일 출력 다중 도청장치(MISOME)와, 단일 수신 안테나를 갖는 수신장치와, 다수의 송신 안테나를 갖으며 MISOME의 페이딩 도청 채널 존재 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 채널의 송신전력을 온-오프로 할당하고 할당 결과에 따라 수신장치에 보안 데이터 신호를 빔포밍하는 송신장치를 포함한다.According to another aspect, a multichannel wireless communication system includes a multiple input single output multiple eavesdropping device (MISOME), a receiving device having a single receiving antenna, and a plurality of transmitting antennas to maximize the secure transmission rate in the presence of a fading eavesdropping channel of MISOME. And a transmission apparatus for allocating transmission power of the channel on-off and beamforming a secure data signal to the reception apparatus according to the allocation result.

또 다른 양상에 따른 보안 데이터 송신장치는, 다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화하여 보안 용량을 최대화하는 보안 용량 설정부와, 최대화된 보안 용량 조건 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 다중 채널의 송신전력을 온-오프로 할당하는 전력 설정부와, 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍하는 전송부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a security data transmission apparatus includes a security capacity setting unit for maximizing security capacity by differentiating the degree of access to channel state information for multiple channels, and multiple security to maximize security transmission rate under the maximum security capacity condition. And a power setting unit for allocating the transmission power of the channel on-off and a transmission unit for beamforming the data signal according to the transmission power allocation result.

일 실시예에 따르면, 다중채널 무선통신 환경에서 보안 전송률을 최대화하여 데이터를 전송할 수 있다. 즉, 다중 입력 다중 출력 다중 도청장치(MISOME)의 페이딩 도청 채널 존재 하에서 전송채널의 송신전력을 온-오프로 할당하고 할당 결과에 따라 수신장치에 보안 데이터 신호를 빔포밍함에 따라 보안 전송률을 최대화한다.According to an embodiment, in a multi-channel wireless communication environment, data may be transmitted by maximizing a secure transmission rate. That is, the transmission power of the transmission channel is allocated on-off in the presence of the fading eavesdropping channel of the multi-input multiple-output multiple eavesdropping device (MISOME), and the secure data rate is maximized by beamforming the secure data signal to the receiving device according to the allocation result. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 무선통신 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치의 세부 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치의 데이터 전송방법을 도시한 흐름도이다.
1 is a block diagram showing a multi-channel wireless communication system according to an embodiment of the present invention,
2 is a detailed configuration diagram of a transmitter according to an embodiment of the present invention;
3 is a flowchart illustrating a data transmission method of a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention; In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, and this may vary depending on the intention of the user, the operator, or the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 무선통신 시스템(1)을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing a multi-channel wireless communication system 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 다중채널 무선통신 시스템(1)은 송신장치(10), 수신장치(12) 및 도청장치(14)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the multi-channel wireless communication system 1 of the present invention includes a transmitter 10, a receiver 12, and an eavesdropping device 14.

송신장치(transmitter)(10)는 송신 안테나(100)를 구비하고, 송신 안테나(100)를 이용하여 데이터 신호를 무선 채널을 통해 수신장치(receiver)(12)에 송신한다. 송신된 데이터 신호는 송신장치(10)와 수신장치(12) 사이에 존재하는 방해 대상에 의해 반사되어 서로 다른 경로로 페이딩되어 수신 안테나(120)에 의해 수신된다.The transmitter 10 includes a transmission antenna 100, and transmits a data signal to a receiver 12 through a wireless channel using the transmission antenna 100. The transmitted data signal is reflected by the interference object existing between the transmitter 10 and the receiver 12 and faded in different paths and received by the receiving antenna 120.

수신장치(12)는 서로 다른 경로로 페이딩되는 데이터 신호를 수신 안테나(120)를 이용하여 수신한다. 한편, 송신장치(10)의 데이터 신호 송신 범위에 위치하는 도청장치(eavesdropper)(14)는 송신장치(10)로부터 송신되는 데이터 신호를 도청 안테나(140)를 이용하여 도청한다.The receiving device 12 receives data signals fading in different paths using the receiving antenna 120. On the other hand, the eavesdropper 14 located in the data signal transmission range of the transmitter 10 taps the data signal transmitted from the transmitter 10 using the tapping antenna 140.

도청 통신 모델을 보다 구체적으로 살펴보면, 송신장치(10)는 데이터 신호를 합법 채널(legitimate channel)을 통해 수신장치(12)로 송신한다. 수신장치(12)는 합법 채널을 통해 데이터 신호를 수신한다. 한편, 수신장치(12)에서 수신한 데이터 신호는 도청 채널(eavesdropper channel)을 통해 허락받지 않은 도청장치(14)에 의해 도청된다.Looking at the eavesdropping communication model in more detail, the transmitter 10 transmits a data signal to the receiver 12 through a legal channel. The receiver 12 receives a data signal through a legal channel. On the other hand, the data signal received by the receiving device 12 is intercepted by the eavesdropping device 14 which is not allowed through the eavesdropper channel.

무선 통신에서 사용자의 가장 중요한 관심 중에 하나는 송신장치(10)와 수신장치(12) 사이에서 송수신되는 데이터를 허락받지 않은 도청장치(14)가 도청하지 못하도록 하는 것이다. 따라서 각각 정해진 채널 용량을 가지는 합법 채널과 도청 채널에서 수신장치(12)가 데이터 신호를 도청장치(14)에 의해 도청되지 않고 수신할 수 있는 조건에 대해 관심을 가지게 된다.One of the user's most important concerns in wireless communication is to prevent unauthorized eavesdropping devices 14 from intercepting data transmitted and received between the transmitting device 10 and the receiving device 12. Therefore, in the legal channel and the eavesdropping channel each having a predetermined channel capacity, the receiver 12 is interested in a condition in which the data signal can be received without being intercepted by the eavesdropping device 14.

채널 용량이란 데이터가 오류 없이 채널을 통해 상대방으로 송신되는 최대 데이터 전송률, 즉 사용된 전송 매체가 수용할 수 있는 정보 송신 능력을 의미한다. 보안 용량이란 데이터가 도청장치(14)의 도청 없이 합법 채널을 통해 허락된 수신장치(12)로 송신되는 최대 데이터 전송률을 의미한다. 즉, 보안 용량이란 도청 채널의 채널 용량에 대한 합법 채널의 채널 용량비로 계산된다.The channel capacity refers to the maximum data rate at which data is transmitted to the other party through the channel without error, that is, the information transmission capacity that the transmission medium used can accommodate. By security capacity is meant the maximum data rate at which data is transmitted to the authorized receiver 12 over the legal channel without eavesdropping on the eavesdropping device 14. That is, the security capacity is calculated as the ratio of the channel capacity of the legal channel to the channel capacity of the eavesdropping channel.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 다중채널 무선통신 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 송신장치(10)가 다수의 송신 안테나(n1, n2, …, nt)를 갖으며, 수신장치(12)가 단일의 수신 안테나(nr)를 갖는다. 그리고, 도청장치(14)는 다중 입력 다중 출력 방식을 따르는 다수 개의 도청기(multiple-input single-output multiple-eavesdropper:이하 MISOME이라 칭함)이다. 이하 도청장치(14)를 MISOME과 혼용하여 사용한다.According to one embodiment, in the multi-channel wireless communication system 1 of the present invention, as shown in FIG. 1, the transmitting apparatus 10 has a plurality of transmitting antennas n 1 , n 2 ,..., N t . The receiving device 12 has a single receiving antenna n r . The wiretap device 14 is a multiple-input single-output multiple-eavesdropper (hereinafter referred to as MISOME) that follows a multiple input multiple output scheme. Hereinafter, the tapping device 14 is used in combination with MISOME.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치(10)의 세부 구성도이다.2 is a detailed configuration diagram of a transmitter 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 송신장치(10)는 채널의 송신전력 할당 최적화 및 보안 전송률 최대화를 위해 보안 용량 설정부(200), 전력 설정부(210) 및 전송부(220)를 포함한다.1 and 2, the transmission apparatus 10 includes a security capacity setting unit 200, a power setting unit 210, and a transmitter 220 to optimize transmission power allocation of a channel and maximize a secure transmission rate. .

보안 용량 설정부(200)는 다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화하여 보안 용량을 최대화한다. 다중 채널은 합법 채널(legitimate channel) 및 도청 채널(eavesdropper channel)을 포함한다. 송신장치(10)는 합법 채널을 통해 전 채널 상태정보(full channel state information:full CSI)에 대한 접근 권한을 갖고, 도청 채널을 통해 부분 채널 상태정보(partial channel state information:partial CSI)에 대해 접근 권한을 갖는다. 채널 상태정보는 채널의 특성을 기술한 것이다. 송신장치(10)는 도청장치(14)의 위치는 안다고 가정한다. 송신장치(10)의 CSI에 대한 접근 권한은 평균 수신 신호 대 잡음비(Average received signal-to-noise ratio:SNR)에 따라 결정될 수 있다.The security capacity setting unit 200 maximizes the security capacity by differentiating the degree of access to the channel state information for the multiple channels according to the eavesdropping. Multiple channels include legitimate channels and eavesdropper channels. The transmitter 10 has access to full channel state information (full CSI) through a legal channel, and partial channel state information (partial) through an eavesdropping channel. channel state information: partial CSI). The channel state information describes the characteristics of the channel. It is assumed that the transmitting device 10 knows the position of the tapping device 14. The access right to the CSI of the transmitter 10 may be determined according to an average received signal-to-noise ratio (SNR).

전술한 위치 인식 시나리오에 기반하여 본 발명은 완전 보완(perfect secrecy)으로 달성가능 보안 전송률(achievable secrecy rate)을 최대화할 수 있는 전력 할당 최적화 기법(optimal power allocation strategy)을 제안한다.Based on the location-aware scenario described above, the present invention proposes an optimal power allocation strategy that can maximize the achievable secrecy rate with perfect secrecy.

구체적으로, 전력 설정부(210)는 MISOME의 레일리 페이딩 도청 채널(Rayleigh-fading wiretap channels) 하에서 달성가능 보안 전송률을 최대화하도록 채널의 송신전력을 온-오프(on-off)로 할당한다. 전송부(200)는 전력 설정부(210)에서의 할당 결과에 따라 수신장치(12)에 보안 데이터(confidential data) 신호를 빔포밍한다.Specifically, the power setting unit 210 allocates the transmit power of the channel on-off to maximize the attainable secure transmission rate under the Rayleigh-fading wiretap channels of MISOME. The transmitter 200 beamforms a security data signal to the receiver 12 according to the allocation result of the power setting unit 210.

전력 설정부(210)는 안테나 수(the numbers of antennas)와 평균 수신신호 대 잡음비(the average received SNRs)를 기초로 하여 송신전력을 할당할 수 있다. 일 실시예를 들면, 채널 이득 파라미터의 크기가 기설정된 문턱값(threshold)보다 크거나 동일하면 송신전력 파라미터를 1로 할당하고, 문턱값 보다 작으면 송신전력파라미터를 0으로 할당한다. 이때, 문턱값은 송신장치(10)의 안테나 수와 도청장치(14)의 안테나 수와 수신장치(12)의 신호 대 잡음비와 도청장치(14)의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정된다.The power setting unit 210 may allocate the transmission power based on the numbers of antennas and the average received SNRs. For example, if the size of the channel gain parameter is greater than or equal to a predetermined threshold, the transmission power parameter is allocated to 1, and if the channel gain parameter is smaller than the threshold, the transmission power parameter is assigned to 0. At this time, the threshold value is set by using the number of antennas of the transmitter 10, the number of antennas of the eavesdropping device 14, the signal-to-noise ratio of the receiver 12, and the signal-to-noise ratio of the eavesdropping device 14.

이하 수식들을 참조로 하여, 달성가능 보안 전송률(achievable secrecy rate)을 최대화할 수 있는 전력 할당 최적화 기법(optimal power allocation strategy)을 설명한다.With reference to the following equations, an optimal power allocation strategy that can maximize the achievable secrecy rate will be described.

우선, 본 발명은 도청 채널(MISOME wiretap channel)을 통해 ne개의 안테나(140)로 신호를 도청하는 도청장치(14)의 존재 하에서 nt개의 안테나(100)를 갖는 송신장치(10)가 합법적인 단일 개의 안테나(120)를 갖는 수신장치(12)에 보안 데이터를 전송한다고 가정한다. 이때, 수신장치(12)와 도청장치(14)에 수신되는 신호는 각각 식 1 및 식 2와 같다.First, in the present invention, a transmitter 10 having n t antennas 100 is legal in the presence of the tapping device 14 that taps a signal with n e antennas 140 through a MISOME wiretap channel. It is assumed that security data is transmitted to the receiver 12 having a single antenna 120. In this case, the signals received by the receiver 12 and the tapping device 14 are as shown in Equations 1 and 2, respectively.

Figure pat00001
Figure pat00001

식 1에 있어서, yr은 수신장치(12)가 합법 채널을 통해 수신하는 신호를 나타낸다.

Figure pat00002
Figure pat00003
이 전력 제한 tr(Σ)≤1 을 만족하는 공분산 행렬(covariance matrix)을 따른다. tr(?)은 트레이스 연산자(trace operator)이다.
Figure pat00004
은 합법 채널의 레일리 페이딩 채널 이득 파라미터(Rayleigh-fading channel gains)이다.
Figure pat00005
는 수신장치(12)가 수신한 신호에 첨가된 잡음신호(additive white Gaussian noises)이다. snrr은 수신장치(12)에 대한 평균 신호 대 잡음비(the average received signal-to-noise ratios(SNRs) per antenna at the receiver)를, nt는 송신장치(10)의 송신 안테나 수를 나타낸다.In Equation 1, y r represents a signal that the receiver 12 receives through the legal channel.
Figure pat00002
silver
Figure pat00003
The covariance matrix satisfies this power limit tr (Σ) ≦ 1. tr (?) is a trace operator.
Figure pat00004
Is the Rayleigh-fading channel gains of the legal channel.
Figure pat00005
Denotes additive white Gaussian noises added to the signal received by the receiver 12. snr r denotes the average received signal-to-noise ratios (SNRs) per antenna at the receiver, and n t denotes the number of transmit antennas of the transmitter 10.

Figure pat00006
Figure pat00006

식 2에 있어서, ye은 도청장치(14)가 도청 채널을 통해 수신하는 신호를 나타낸다.

Figure pat00007
Figure pat00008
이 전력 제한 tr (Σ)≤1 을 만족하는 공분산 행렬(covariance matrix)을 따른다. tr (?)은 트레이스 연산자(trace operator)이다.
Figure pat00009
은 도청 채널의 레일리 페이딩 채널 이득 파라미터(Rayleigh-fading channel gains)이다.
Figure pat00010
는 도청장치(14)가 수신한 신호에 첨가된 잡음신호(additive white Gaussian noises)이다. snre은 도청장치(14)에 대한 평균 신호 대 잡음비(the average received signal-to-noise ratios(SNRs) per antenna at the eavesdropper)를, nt는 송신장치(10)의 송신 안테나 수를 나타낸다.In Equation 2, y e represents a signal that the eavesdropping device 14 receives on the eavesdropping channel.
Figure pat00007
silver
Figure pat00008
The covariance matrix satisfies this power limit tr (Σ) ≦ 1 . tr (?) is a trace operator.
Figure pat00009
Is the Rayleigh-fading channel gains of the eavesdropping channel.
Figure pat00010
Is the additive white Gaussian noises added to the signal received by the eavesdropping device 14. snr e denotes the average received signal-to-noise ratios (SNRs) per antenna at the eavesdropper for the eavesdropping device 14, and n t denotes the number of transmit antennas of the transmitting device 10.

송신장치(10)가 수신장치(12)에 대해 완전 채널 상태정보(perfect CSI)에 대해 접근 가능하다고 가정하면, MISOME 도청 채널 하에서 순간 완전 보안 용량(the instantaneous perfect secrecy capacity)(nat/s/Hz)은 식 3과 같다.Assuming the transmitter 10 has access to perfect CSI for the receiver 12, the instantaneous perfect secrecy capacity (nat / s / Hz) under the MISOME eavesdropping channel ) Is the same as Equation 3.

Figure pat00011
Figure pat00011

상첨자(superscript)

Figure pat00012
는 켤레전치(conjugate transpose)를, I는 단위 행렬(identity matrix)을,
Figure pat00013
는 행렬 A(matrix A)가 양의 준정부호 행렬(positive semidefinite)임을 각각 나타낸다.Superscript
Figure pat00012
Is the conjugate transpose, I is the identity matrix,
Figure pat00013
Denotes that matrix A is a positive semidefinite matrix.

식 3에 있어서, 보안 용량 최대화를 위한 입력 공분산(the input covariance for secrecy capacity maximization)을 최적화하기 위해서, 송신장치(10)는 합법 채널(legitimate channel)과 도청 채널(eavesdropper channel) 모두에 대한 전 채널 상태 정보(full CSI) 접근이 요구되나, 이는 현실적으로 불가능하다.In Equation 3, in order to optimize the input covariance for secrecy capacity maximization, the transmitting apparatus 10 uses all channels for both a legal channel and an eavesdropper channel. Full CSI access is required, but this is not practical.

전술한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 송신장치(10)가 합법 채널에 대해서는 전 채널 상태정보(full CSI)에 대한 접근 권한을 갖고, 도청 채널에 대해서는 위치 인식 기반 하에서 부분 채널 상태정보(partial CSI)에 대한 접근 권한을 갖는다고 가정한다. 전술한 가정 하에 보안 용량(Cs)은 식 4와 같다.In order to solve the above-described problem, the present invention provides that the transmitter 10 has access to the full channel state information (full CSI) for the legal channel, and partial channel state information (partial) based on location recognition for the eavesdropping channel. Assume that you have access to CSI). Under the above assumption, the security capacity C s is given by Equation 4.

Figure pat00014
Figure pat00014

식 4에 있어서

Figure pat00015
이다.
Figure pat00016
이면, 식 5 및 식 6과 같다.
Figure pat00017
는 평균값 λ을 갖는 n차 Erlang 분포이다.In equation 4
Figure pat00015
to be.
Figure pat00016
If it is, it is the same as Formula 5 and Formula 6.
Figure pat00017
Is an n-th order Erlang distribution with an average value λ.

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

식 5는

Figure pat00020
의 방향으로 데이터 신호를 빔포밍하는 경우(예:rank-one Σ with a nonzero eigenvector
Figure pat00021
)이고, 식 6은 어느 방향(any direction)으로 데이터 신호를 빔포밍하는 경우(예:any rank-one Σ)이다. 따라서 최대의 달성가능 보안 전송률(achievable secrecy rate)
Figure pat00022
은 식 7과 같다.Equation 5 is
Figure pat00020
Beamforming the data signal in the direction of (e.g., rank-one Σ with a nonzero eigenvector
Figure pat00021
(6) is a case of beamforming the data signal in any direction (for example, any rank-one?). Thus maximum achievable secrecy rate
Figure pat00022
Is the same as Equation 7.

Figure pat00023
Figure pat00023

본 발명은 식 7에서의 달성 가능 보안 전송률을 최대화할 수 있는 최적의 전력 할당 방식을 식 8에서와 같이 제안한다. 또한 최적의 전력 할당 방식을 통해 MISOME 보안 채널 하에서의 에르고딕 보안 전송률(ergodic secrecy rate)을 얻을 수 있다.

Figure pat00024
인 조건에서 보안 전송률(secrecy rate)
Figure pat00025
을 최대화할 수 있는 최적의 λ인
Figure pat00026
는 식 8과 같다. The present invention proposes an optimal power allocation scheme as shown in Equation 8 that can maximize the attainable secure transmission rate in Equation 7. In addition, the optimal power allocation scheme allows for an ergodic secrecy rate under the MISOME secure channel.
Figure pat00024
Secure rate under secure conditions
Figure pat00025
Is the optimal λ to maximize
Figure pat00026
Is the same as Equation 8.

Figure pat00027
Figure pat00027

그러면, 최적의

Figure pat00028
는 식 9와 같이 기설정된 문턱값(threshold)
Figure pat00029
에 따른 온-오프(on-off) 전력 할당 값이다.Then, the best
Figure pat00028
Is a predetermined threshold as shown in Equation 9.
Figure pat00029
Is an on-off power allocation value.

Figure pat00030
Figure pat00030

식 9에 따르면, 송신장치(10)는 수신장치(12)의 합법 채널의 채널 이득 파라미터 크기

Figure pat00031
가 기설정된 문턱값
Figure pat00032
보다 크거나 동일하면 송신전력을 1로 할당하고, 문턱값
Figure pat00033
보다 작으면 송신전력을 0으로 할당한다. 이때 문턱값
Figure pat00034
은 식 10과 같다.According to equation (9), the transmitter 10 has the channel gain parameter magnitude of the legal channel of the receiver 12.
Figure pat00031
Is the preset threshold
Figure pat00032
If greater than or equal, transmit power is assigned as 1 and threshold
Figure pat00033
If it is smaller than 0, transmit power is allocated. The threshold
Figure pat00034
Is the same as Eq. 10.

Figure pat00035
Figure pat00035

식 10에서

Figure pat00036
이다. 문턱값
Figure pat00037
는 ne에 따라 증가하고 snre에 따라 점근적 선형 형태(asymptotically linearly)로 증가하지만, snrr에 역으로 감소(decrease inversely)한다.In equation 10
Figure pat00036
to be. Threshold
Figure pat00037
Increases with n e and increases in asymptotically linearly with snr e , but decreases inversely with snr r .

전송부(220)는 달성 가능 보안 전송률을 최대화하기 위해 온-오프 전력 할당 방식을 통해

Figure pat00038
의 방향으로 데이터 신호를 빔포밍한다.The transmitter 220 uses an on-off power allocation scheme to maximize the attainable secure transmission rate.
Figure pat00038
Beamform the data signal in the direction of.

Figure pat00039
Figure pat00039

식 11에 있어서,

Figure pat00040
Figure pat00041
의 분포이다. Bern(p)는 평균(mean) p를 갖는 베르누이 분포(Bernoulli distribution)이다. In Equation 11,
Figure pat00040
The
Figure pat00041
Is the distribution. Bern (p) is the Bernoulli distribution with mean p.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치의 데이터 전송방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a data transmission method of a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 3을 참조하면, 송신장치(10)는 다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화(300)하여 보안 용량을 최대화한다(310). 다중 채널은 합법 채널 및 도청 채널을 포함한다. 일 실시예에 따르면 송신장치(10)는 합법 채널을 통해 전 채널 상태정보에 대해 접근하고, 도청 채널을 통해 부분 채널 상태정보에 대해 접근한다. 그리고, 합법 채널에 대한 채널 용량은 증가시키고 도청 채널에 대한 채널 용량은 감소시켜 보안 용량을 최대화한다.Referring to FIGS. 1 and 3, the transmitter 10 maximizes the security capacity by differentiating 300 according to whether the channel state information access level for the multiple channels is eavesdropped. Multiple channels include legitimate channels and eavesdropping channels. According to an embodiment, the transmitter 10 accesses all channel state information through a legal channel, and accesses partial channel state information through an eavesdropping channel. The channel capacity for the legal channel is increased and the channel capacity for the eavesdropping channel is reduced to maximize security capacity.

이어서, 송신장치(10)는 최대화된 보안 용량 조건 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 다중채널의 송신전력을 온-오프(on-off)로 할당한다(320). 일 실시예에 따르면 안테나 수와 수신신호 대 잡음비를 기초로 하여 송신전력을 할당한다. 즉, 전송 채널의 채널 이득 파라미터 크기가 기설정된 문턱값보다 크거나 동일하면 송신전력을 1로 할당하고, 문턱값보다 작으면 송신전력을 0으로 할당할 수 있다. 이때 문턱값은 송신장치의 안테나 수와 도청장치의 안테나 수와 수신장치의 신호 대 잡음비와 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정된다.Subsequently, the transmitter 10 allocates the transmit power of the multichannel on-off to maximize the secure transmission rate under the maximized security capacity condition (320). According to an embodiment, the transmission power is allocated based on the number of antennas and the reception signal-to-noise ratio. That is, if the channel gain parameter size of the transmission channel is greater than or equal to a preset threshold, the transmission power may be allocated to 1, and if the channel gain parameter size is smaller than the threshold, the transmission power may be assigned to 0. The threshold is set using the number of antennas of the transmitter, the number of antennas of the eavesdropping device, the signal-to-noise ratio of the receiver and the signal-to-noise ratio of the eavesdropping device.

이어서, 송신장치(10)는 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍한다(330).Subsequently, the transmitter 10 beamforms the data signal according to the transmission power allocation result (330).

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

1 : 다중채널 무선통신 시스템 10 : 송신장치
12 : 수신장치 14 : 도청장치
200 : 보안 용량 설정부 210 : 전력 설정부
220 : 전송부
1: multi-channel wireless communication system 10: transmitter
12: receiving device 14: tapping device
200: security capacity setting unit 210: power setting unit
220: transmission unit

Claims (11)

송신장치가 다중 채널을 통해 데이터를 보안 전송하는 방법에 있어서,
상기 다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화하여 보안 용량을 최대화하는 단계;
상기 최대화된 보안 용량 조건 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 상기 다중 채널의 송신전력을 온-오프(on-off)로 할당하는 단계; 및
상기 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍(beamforming)하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
In a method for transmitting data securely transmitting data through multiple channels,
Maximizing security capacity by differentiating a degree of access of channel state information for the multiple channels according to whether the wiretap is performed;
Allocating on-off transmit power of the multi-channel to maximize secure transmission rate under the maximized secure capacity condition; And
Beamforming a data signal according to a result of the transmission power allocation;
Secure data transmission method comprising a.
제 1 항에 있어서, 상기 송신전력을 온-오프로 할당하는 단계는,
안테나 수와 수신신호 대 잡음비를 기초로 하여 상기 송신전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
The method of claim 1, wherein allocating the transmission power to on-off includes:
And allocating the transmission power based on the number of antennas and the received signal-to-noise ratio.
제 2 항에 있어서, 상기 송신전력을 온-오프로 할당하는 단계는,
전송 채널의 채널 이득 파라미터 크기가 기설정된 문턱값보다 크거나 동일하면 상기 송신전력 파라미터를 1로 할당하고, 상기 문턱값보다 작으면 상기 송신전력 파라미터를 0으로 할당하는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
The method of claim 2, wherein the allocating the transmit power on-off,
If the channel gain parameter size of the transmission channel is greater than or equal to a preset threshold, the transmission power parameter is allocated to 1, and if the channel gain parameter size is smaller than the threshold, the transmission power parameter is assigned to 0. .
제 3 항에 있어서,
상기 문턱값은 송신장치의 안테나 수와 도청장치의 안테나 수와 수신장치의 신호 대 잡음비와 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
The method of claim 3, wherein
The threshold value is set using the number of antennas of the transmitter, the number of antennas of the eavesdropping device, the signal-to-noise ratio of the receiver and the signal-to-noise ratio of the eavesdropping device.
제 1 항에 있어서, 상기 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍하는 단계는,
상기 온-오프 송신전력 할당을 통해 수신장치 전송채널의 채널 이득 파라미터의 켤레전치 방향으로 상기 데이터 신호를 빔포밍하는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
The method of claim 1, wherein the beamforming of the data signal according to the transmission power allocation result comprises:
And beamforming the data signal in the convolutional direction of a channel gain parameter of a receiver transmission channel by allocating the on-off transmit power.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 채널은 합법 채널 및 도청 채널을 포함하며,
상기 보안 용량을 최대화하는 단계는,
상기 합법 채널을 통해 전 채널 상태정보에 대해 접근하고 상기 도청 채널을 통해 부분 채널 상태정보에 대해 접근하는 단계; 및
상기 합법 채널에 대한 채널 용량은 증가시키고 상기 도청 채널에 대한 채널 용량은 감소시켜 상기 보안 용량을 최대화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 보안전송 방법.
The method of claim 1,
The multichannel includes a legal channel and an eavesdropping channel,
Maximizing the security capacity,
Accessing all channel state information through the legal channel and accessing partial channel state information through the eavesdropping channel; And
Increasing the channel capacity for the legitimate channel and reducing the channel capacity for the eavesdropping channel to maximize the security capacity;
Secure data transmission method comprising a.
다중 입력 단일 출력 다중 도청장치(MISOME);
단일 수신 안테나를 갖는 수신장치;
다수의 송신 안테나를 갖으며, 상기 MISOME의 페이딩 도청 채널 존재 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 채널의 송신전력을 온-오프로 할당하고 상기 할당 결과에 따라 상기 수신장치에 보안 데이터 신호를 빔포밍하는 송신장치;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 무선통신 시스템.
Multiple input single output multiple taps (MISOME);
A receiver having a single receive antenna;
A transmission apparatus having a plurality of transmission antennas, allocating transmission power of a channel on-off to maximize security transmission rate in the presence of a fading eavesdropping channel of the MISOME, and beamforming a security data signal to the reception device according to the allocation result ;
Multi-channel wireless communication system comprising a.
다중 채널에 대한 채널 상태정보 접근 정도를 도청 여부에 따라 차별화하여 보안 용량을 최대화하는 보안 용량 설정부; 및
상기 최대화된 보안 용량 조건 하에서 보안 전송률을 최대화하도록 상기 다중 채널의 송신전력을 온-오프로 할당하는 전력 설정부; 및
상기 송신전력 할당 결과에 따라 데이터 신호를 빔포밍하는 전송부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안 데이터 송신장치.
A security capacity setting unit for maximizing the security capacity by differentiating the degree of access to channel state information for multiple channels according to whether the wiretap is performed; And
A power setting unit for allocating transmission power of the multi-channel on-off to maximize a secure transmission rate under the maximized security capacity condition; And
A transmitter for beamforming a data signal according to the transmission power allocation result;
Security data transmission apparatus comprising a.
제 8 항에 있어서, 상기 전력 설정부는,
안테나 수와 수신신호 대 잡음비를 기초로 하여 상기 송신전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 보안 데이터 송신장치.
The method of claim 8, wherein the power setting unit,
And allocating the transmission power based on the number of antennas and the received signal-to-noise ratio.
제 9 항에 있어서, 상기 전력 설정부는,
전송 채널의 채널 이득 파라미터 크기의 크기가 기설정된 문턱값보다 크거나 동일하면 상기 송신전력 파리미터를 1로 할당하고, 상기 문턱값보다 작으면 상기 송신전력 파라미터를 0으로 할당하는 것을 특징으로 하는 보안 데이터 송신장치.
10. The method of claim 9, wherein the power setting unit,
If the magnitude of the channel gain parameter size of the transmission channel is greater than or equal to a predetermined threshold value, the transmission power parameter is allocated to 1, and if the channel gain parameter size is smaller than the threshold value, the transmission power parameter is assigned to 0. Transmitter.
제 10 항에 있어서,
상기 문턱값은 송신장치의 안테나 수와 도청장치의 안테나 수와 수신장치의 신호 대 잡음비와 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 보안 데이터 송신장치.
11. The method of claim 10,
And the threshold is set by using the number of antennas of the transmitter, the number of antennas of the eavesdropping device, the signal-to-noise ratio of the receiver and the signal-to-noise ratio of the eavesdropping device.
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