KR20130102758A - Method and apparatus for secrecy transmitting in wireless environment - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method and an apparatus for secrecy transmission in a wireless environment are provided to maximize throughput of secrecy data transmission while preventing wiretapping by eavesdroppers when transmitting a confidential signal containing confidential information to a receive apparatus. CONSTITUTION: An apparatus for transmitting data to an authorized receiving apparatus, in a wireless environment where multi-input single-output multiple eavesdroppers exist, comprises an operation processing unit (113), a power processing unit (112), and a plurality of transmit antennas (111). The operation processing unit calculates a power allocation ratio of a confidential signal to a jamming artificial noise from a transmit signal comprising the confidential signal containing information and the jamming artificial noise. The power processing unit allocates transmit power on and off to the confidential signal and the artificial noise according to the calculated power allocation ratio. The plurality of transmit antennas performs beamforming of the transmit signal that is received from the power processing unit to the authorized receiving apparatus. [Reference numerals] (111) Transmit antenna; (112) Power processing unit; (113) Operation processing unit

Description

무선 환경에서 보안 전송 방법 및 이를 구비한 송신장치{METHOD AND APPARATUS FOR SECRECY TRANSMITTING IN WIRELESS ENVIRONMENT}Secure transmission method in wireless environment and transmitting apparatus having same {METHOD AND APPARATUS FOR SECRECY TRANSMITTING IN WIRELESS ENVIRONMENT}

본 발명은 무선통신 환경에서 보안 전송률을 최적화하기 위한 보안 전송 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a secure transmission technique for optimizing a secure transmission rate in a wireless communication environment.

최근 무선통신 관련 기술이 빠르게 발전하며 다양한 형태의 무선 통신 네트워크가 구축되고 있다. 무선통신은 전자기파를 이용하여 대기로 신호를 송출하거나 대기 중의 신호를 수신하여 통신을 수행하는 방식이다. 따라서 허가되지 않은 제 3자가 수신대상과 근접하여 위치하고 수신대상으로 송신되는 신호의 부호화 방식을 알고 있다면, 송신 신호를 도청하여 둘 사이의 비밀 정보를 쉽게 빼낼 수 있는 위험을 가지고 있다. Recently, the technology related to wireless communication has been rapidly developed, and various types of wireless communication networks are being built. Wireless communication is a method of transmitting a signal to the atmosphere using electromagnetic waves or receiving a signal in the air to perform communication. Therefore, if an unauthorized third party is located close to the receiving object and knows the encoding method of the signal transmitted to the receiving object, there is a risk of eavesdropping the secret information between the two by intercepting the transmitted signal.

일반적으로 데이터를 주고 받는 통신 노드 사이에 공유된 암호화키를 사용하여 신호를 스크램블(Scramble)하는 보안 방법을 이용하여 무선통신에서의 보안을 유지하고 있다. 이러한 보안 형태는 허가되지 않은 제 3자가 신호를 해독하기 어렵게 만드는 암호화 프로포콜(Cryptographic Protocol)을 사용한다.In general, security in wireless communication is maintained by using a security method that scrambles a signal using an encryption key shared between communication nodes that transmit and receive data. This form of security uses the Cryptographic Protocol, which makes it difficult for unauthorized third parties to decrypt the signal.

하지만 송신자와 수신자가 통신을 수행하는 과정에서, 허가되지 않은 제 3자가 둘 사이에서 송수신되는 데이터를 도청하는 통신 모델을 와이너에 의해 처음으로 제안되었다. 그 후로도 무선통신의 브로드캐스팅(Broadcasting) 특성 때문에 무선통신에서의 보안 전송률을 높이기 위한 방안들이 연구되고 있다.However, in the course of the communication between the sender and the receiver, Wiener was first proposed a communication model in which unauthorized third parties intercept data transmitted and received between them. Since then, methods for increasing the secure transmission rate in wireless communication have been studied due to the broadcasting characteristics of wireless communication.

본 발명은 다중 입력 단일 출력 방식을 따르는 다수 개의 도청장치(150)(Multi Input Single Output Multiple Eavesdropper, MISOME)가 존재하는 무선 통신 환경에서 비밀 정보가 담겨있는 비밀 신호를 수신장치(130)에 송신하는 과정에서 도청장치(150)에 의한 도청을 차단하면서도 보안 전송률을 최대화 할 수 있는 전력할당 기법과 이러한 보안 방법이 구비된 송신장치(110)를 제공한다.The present invention transmits a secret signal containing secret information to a receiver 130 in a wireless communication environment in which a plurality of eavesdropping devices 150 (MISOME) according to a multiple input single output scheme exist. The present invention provides a power allocation technique capable of maximizing a secure transmission rate while blocking eavesdropping by the eavesdropping device 150 and a transmitting device 110 equipped with the security method.

본 발명에 따른 송신장치가 허가된 수신장치에 데이터를 보안 송신장치는 비밀 정보를 포함하는 비밀 신호와 전파 방해를 하는 인공 잡음이 포함된 송신 신호에서 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 전력 할당비를 계산하는 연산처리부와 계산된 전력 할당비에 따라 송신 신호에 포함된 비밀 신호와 인공 잡음에 송신 전력을 온-오프로 할당하는 전력처리부 및 전력처리부로부터 수신된 송신 신호를 허가된 수신장치로 빔포밍하는 다수 개의 송신 안테나를 포함한다.Secure transmission of data to a receiving device authorized by the transmitting device according to the present invention, the transmitting device calculates a power allocation ratio between the secret signal and the artificial noise in the transmission signal containing the secret signal containing the secret information and the artificial noise which interferes the propagation Beamforming a transmission signal received from the power processing unit and the power processing unit to allocate the transmission power to the secret signal and the artificial noise included in the transmission signal on-off according to the arithmetic processing unit and the calculated power allocation ratio to the authorized receiver. It includes a plurality of transmit antennas.

송신장치는 합법 채널의 송신 장치에 따른 에르고딕 레일리 페이딩 채널 이득(Ergodic Rayleigh-fading channel gains)에 따라 최대값을 가지는 보안 전송률을 계산한다. 그리고 보안 전송률을 바탕으로 최적 전력 할당비를 계산한다. 다음으로, 송신장치는 최적 전력 할당비에 따라 다중 채널의 송신신호에 송신전력을 온-오프로 할당한다. 이 때, 온-오프를 결정짓는 문턱값(threshold)은 송신장치의 안테나 수와 도청장치의 안테나 수 및 수신장치와 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정된다. 다음으로, 전력 할당비에 따라 송신전력이 할당된 송신신호를 허가된 수신장치를 향하여 빔포밍한다.The transmitting device calculates a secure transmission rate having a maximum value according to Ergodic Rayleigh-fading channel gains according to the transmitting device of the legal channel. The optimal power allocation ratio is then calculated based on the secure transmission rate. Next, the transmission apparatus allocates transmission power to the multi-channel transmission signal on-off according to the optimum power allocation ratio. At this time, the threshold for determining the on-off is set by using the number of antennas of the transmitting apparatus, the number of antennas of the eavesdropping apparatus, and the signal-to-noise ratio of the receiving apparatus and the eavesdropping apparatus. Next, the transmission signal to which the transmission power is allocated in accordance with the power allocation ratio is beamformed toward the permitted receiving apparatus.

본 발명에 따르면, MISOME가 존재하는 무선통신 환경에 있어서, 비밀 신호를 인공 잡음이 포함된 빔포밍을 통해 전송함으로써 보안 통신 환경을 제공한다. 또한, 비밀 신호와 인공 잡음 사이에 전력 할당을 송신전력을 온-오프 제어로 할당하는 최적 전력 할당 기법을 통하여 보안 전송률을 높일 수 있다. According to the present invention, in a wireless communication environment in which MISOME exists, a secure communication environment is provided by transmitting a secret signal through beamforming including artificial noise. In addition, a secure transmission rate can be increased through an optimal power allocation technique for allocating power between on-off control and power allocation between secret signals and artificial noise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 보안 통신 시스템(100)을 도시한 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 송신장치(110)의 세부 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 송신장치의 데이터 송신방법을 도시한 흐름도이다.1 is a block diagram illustrating a wireless security communication system 100 according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed block diagram of the transmitter 110 according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a data transmission method of a transmission apparatus according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Terms used in the present specification are terms selected in consideration of functions in the embodiments, and the meaning of the terms may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the meaning of the terms used in the following embodiments is defined according to the definition when specifically defined in this specification, and unless otherwise defined, it should be interpreted in a sense generally recognized by those skilled in the art.

도 1은 본 발명에 따른 송신장치(110)가 구비된 무선 보안 통신 시스템(100)을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a wireless security communication system 100 equipped with a transmitter 110 according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 송신장치(110)가 구비된 무선 보안 통신 시스템(100)은 송신장치(110), 수신장치(130) 및 도청장치(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a wireless security communication system 100 including a transmitting device 110 according to the present invention includes a transmitting device 110, a receiving device 130, and an eavesdropping device 150.

본 발명은 다중 입력 단일 출력 형태의 다중 도청장치(150)(Multi Input Single Output Multiple Eavesdropper, MISOME)가 존재하는 무선 통신 환경에서 비밀 정보가 담겨있는 비밀 신호를 수신장치(130)에 송신하는 과정에서 도청장치(150)에 의한 도청을 차단하여 보안성을 지킬 수 있는 방법과 이러한 보안 방법이 구비된 송신장치(110)를 제공한다.The present invention is in the process of transmitting a secret signal containing the secret information to the receiver 130 in a wireless communication environment in which a multi-input single output multiple eavesdropper (MISOME) is present The present invention provides a method for ensuring security by blocking eavesdropping by the eavesdropping device 150 and a transmitting device 110 equipped with the security method.

송신장치(110)는 다수 개의 송신 안테나(111)를 구비하고, 송신 안테나(111)를 이용하여 수신장치(130)로 비밀 신호를 전송한다. 송신 장치(110)로부터 전송되는 신호는 비밀 신호(Confidential Signal)과 인공 잡음(Artificial Noise)를 포함한다. 비밀 신호는 보안을 필요로 하는 정보가 포함된 신호를 나타낸다. 인공 잡음은 무선 통신환경에서 보안성을 유지하기 위하여 만들어진 인공적인 잡음(Noise)로서, 신호에 포함되어 방해전파(Jammer) 역할을 한다. 송신장치(110)에서 송신되는 신호는 빔포밍(Beamforming) 기법을 이용하여 허가된 수신장치(130)를 향해서 신호를 송신한다.The transmitting apparatus 110 includes a plurality of transmitting antennas 111 and transmits a secret signal to the receiving apparatus 130 using the transmitting antenna 111. The signal transmitted from the transmitting device 110 includes a confidential signal and artificial noise. The secret signal represents a signal containing information that requires security. Artificial noise is an artificial noise made to maintain security in a wireless communication environment. It is included in a signal and serves as a jammer. The signal transmitted from the transmitter 110 transmits the signal toward the licensed receiver 130 using a beamforming technique.

수신장치(130)는 단일 안테나(131)를 구비하고, 송신장치(110)로부터 전송된 신호를 수신한다. 수신장치(130)로 수신된 신호는 빔포밍 기법에 의하여 방해전파 역할을 하는 인공 잡음이 배제된 비밀 신호만을 포함한다.The receiver 130 includes a single antenna 131 and receives a signal transmitted from the transmitter 110. The signal received by the receiver 130 includes only a secret signal from which no artificial noise acting as a jammer by the beamforming technique.

도청 장치(150)는 다중 입력 단일 출력 방식을 따르는 다수 개의 도청장치(Multi Input Single Output Multiple Eavesdropper, MISOME)이다. 송신장치(110)의 신호 송신 범위 내에 위치하며, 송신장치(110)에서 수신장치(130)로 송신되는 신호를 허가 받지 않고 다수의 도청 안테나(151)를 이용하여 도청한다. 송신장치(110)에서 송신되는 신호는 허가된 수신장치(130)에 대하여 빔포밍 기법을 적용하여 송신하기 때문에, 도청 장치(150)에서 다수의 안테나(151)을 이용하여 도청한 신호는 수신장치(130)에서 수신한 신호와 달리 비밀 신호와 인공 잡음이 모두 포함되어 있다. 따라서 도청장치(150)에서 도청한 신호는 인공 잡음에 의한 전파방해 때문에 비밀 신호를 완전하게 복원 할 수 없다.The eavesdropping device 150 is a multi-input single output multiple eavesdropper (MISOME). Located within the signal transmission range of the transmitter 110, the signal transmitted from the transmitter 110 to the receiver 130 is wired using a plurality of tapping antenna 151 without permission. Since the signal transmitted from the transmitter 110 is transmitted by applying a beamforming technique to the authorized receiver 130, the signal intercepted by the plurality of antennas 151 in the wiretap apparatus 150 is received by the receiver. Unlike the signal received at 130, both a secret signal and artificial noise are included. Therefore, the signal eavesdropped by the tapping device 150 cannot completely recover the secret signal due to interference caused by artificial noise.

도 2는 일 실시예에 따른 송신장치(110)의 세부 구성도이다.2 is a detailed block diagram of the transmitter 110 according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 송신장치(110)는 연산처리부(113), 전력처리부(112) 및 다수 개의 송신 안테나(111)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the transmitter 110 includes an operation processor 113, a power processor 112, and a plurality of transmit antennas 111.

연산처리부(113)는 보안을 필요로 하는 정보가 포함된 비밀 신호와 도청장치에 의한 도청 방지를 위한 인공잡음 사이의 전력량을 조절하여 보안 전송률을 최대화 할 수 있는 최적의 전력 할당비를 계산한다. The operation processor 113 calculates an optimal power allocation ratio that can maximize the security transmission rate by adjusting the amount of power between the secret signal containing the information that requires security and the artificial noise for preventing eavesdropping by the wiretap device.

전력처리부(112)는 연산처리부에 의해 결정된 비밀 신호와 인공 잡음의 전력 할당비에 따라 비밀 신호와 인공 잡음에 전력을 할당 할 수 있다. 채널 이득 파라미터의 크기와 도청 장치에 따라 미리 설정된 문턱값(Threshold)을 비교하여 온-오프(On-off)로 할당한다.The power processor 112 may allocate power to the secret signal and the artificial noise according to the power allocation ratio of the secret signal and the artificial noise determined by the operation processor. The threshold is preset according to the size of the channel gain parameter and the eavesdropping device, and is allocated on-off.

송신 안테나(111)는 송신장치에 다수 개가 구비되며, 전력처리부(112)에서 전력을 할당한 비밀 신호와 인공 잡음이 포함된 신호를 빔포밍 방법을 사용하여 허가된 수신장치로 송신한다.A plurality of transmitting antennas 111 are provided in the transmitting apparatus, and transmits a signal including a secret signal allocated by the power processor 112 and an artificial noise to an authorized receiving apparatus using a beamforming method.

인공 잡음이 포함된 빔포밍 기법에 의해 송신되는 신호 중에서 비밀 신호에는 채널 상태 정보(Channel Status Information, CSI)가 포함되어 있다. 비밀 신호는 채널 상태 정보가 완전한 정보(Full Channel Status Information)를 가지고 있을 경우, 데이터가 복원된다. 허가된 수신장치(130)로 송신된 신호는 인공 잡음을 거의 포함하지 않은 비밀 신호를 포함한다. 따라서, 완전한 채널 상태 정보를 가지고 데이터에 접근하기 때문에, 완전한 데이터를 복원할 수 있다. 하지만 도청장치(150)로 송신된 신호는 인공 잡음을 포함하여 완전한 채널 상태 정보가 아닌 단편적인 채널 상태 정보만을 가지고 있기 때문에, 완전한 데이터를 복원할 수 없다. 결국 비밀 신호에 대한 접근 권한은 수신된 신호에 있어서 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 신호 대 잡음비(Signal to Noise power Ratio)에 의해 결정 될 수 있다.Among the signals transmitted by the beamforming technique including artificial noise, the secret signal includes channel status information (CSI). The secret signal is recovered when the channel status information has full channel status information. The signal transmitted to the authorized receiver 130 includes a secret signal that contains little artificial noise. Thus, since data is accessed with complete channel state information, complete data can be restored. However, since the signal transmitted to the eavesdropping device 150 has only partial channel state information, not artificial channel noise information, the complete data cannot be recovered. As a result, the access right to the secret signal may be determined by the signal to noise power ratio between the secret signal and the artificial noise in the received signal.

송신장치(110)는 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 신호 대 잡음비를 온-오프 전력제어를 통해 두 신호 사이의 전력량을 조절하여 할당한다. 송신장치(110)로부터 송신되는 신호에서 인공 잡음의 비율이 높아지면 보안성도 함께 높아질 수 있다. 하지만 한정된 채널 용량을 갖는 신호에서 인공 잡음의 비율이 높아지면 비밀 신호의 비율이 낮아지게 된다. 여기에서 채널 용량이란 데이터가 오류 없이 채널을 통해 상대방으로 송신되는 최대 데이터 전송률, 즉 비밀 신호와 인공 잡음을 포함하는 송신장치(110)가 송신할 수 있는 정보 송신 능력을 의미한다. 따라서 송신장치(110)는 최대 보안 전송률을 가지기 위하여 최적의 전력 할당 비를 가지도록 두 신호의 전력을 할당한다. 보안 전송률이란 데이터가 도청장치(150)의 도청 없이 합법 채널을 통해 허가된 수신장치(130)로 송신되는 최대 데이터 전송률, 즉 송신장치(110)로 송신되는 비밀 신호의 비율을 나타낸다.The transmitter 110 allocates a signal-to-noise ratio between the secret signal and the artificial noise by adjusting the amount of power between the two signals through on-off power control. When the ratio of artificial noise in the signal transmitted from the transmitter 110 increases, the security may also increase. However, the higher the ratio of artificial noise in a signal with a limited channel capacity, the lower the ratio of secret signals. In this case, the channel capacity refers to a maximum data rate at which data is transmitted to a counterpart through a channel without error, that is, an information transmission capability that can be transmitted by the transmitter 110 including a secret signal and artificial noise. Therefore, the transmitter 110 allocates power of two signals to have an optimal power allocation ratio in order to have a maximum secure transmission rate. The secure transmission rate refers to the maximum data transmission rate at which data is transmitted to the authorized receiving apparatus 130 through the legal channel without eavesdropping by the eavesdropping apparatus 150, that is, the ratio of secret signals transmitted to the transmitting apparatus 110.

도 3은 일 실시예에 따른 송신장치의 데이터 송신방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a data transmission method of a transmission apparatus according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 송신장치는 합법 채널의 송신 장치에 따른 에르고딕 레일리 페이딩 채널 이득(Ergodic Rayleigh-fading channel gains)에 따라 최대값을 가지는 보안 전송률을 계산한다(301). 그리고 보안 전송률을 바탕으로 최적 전력 할당비를 계산한다(302). 본 발명의 일실시예에 따른 송신장치는 송신되는 신호에 포함된 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 비율을 조절하여 보안성을 유지한다. 비밀 신호의 비율이 높아지면 도청장치에 의해 도청될 가능성이 높아질 수 있기 때문에, 비밀 신호와 인공 잡음의 비율을 조절할 필요가 있다. 따라서, 최대의 보안 전송률을 가지는 최적 전력 할당비를 계산한다.Referring to FIG. 3, a transmitter calculates a secure transmission rate having a maximum value according to Ergodic Rayleigh-fading channel gains according to a transmitter of a legal channel (301). The optimal power allocation ratio is calculated based on the secure transmission rate (302). The transmission apparatus according to an embodiment of the present invention maintains security by adjusting the ratio between the secret signal and artificial noise included in the transmitted signal. It is necessary to adjust the ratio of the secret signal and the artificial noise because the higher the ratio of the secret signal can be more likely to be intercepted by the eavesdropping device. Therefore, the optimal power allocation ratio with the maximum secure transmission rate is calculated.

다음으로, 송신장치는 최적 전력 할당비에 따라 다중 채널의 송신신호에 송신전력을 온-오프로 할당한다(303). 일 실시예에 따르면 안테나 수와 최적 전력 할당비에 기초하여 비밀 신호와 인공 잡음에 전력을 할당한다. 이 때, 온-오프를 결정짓는 문턱값(threshold)은 송신장치의 안테나 수와 도청장치의 안테나 수 및 수신장치와 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정된다.Next, the transmission apparatus allocates transmission power on-off to the transmission signal of the multi-channel according to the optimal power allocation ratio (303). According to an embodiment, power is allocated to secret signals and artificial noise based on the number of antennas and the optimal power allocation ratio. At this time, the threshold for determining the on-off is set by using the number of antennas of the transmitting apparatus, the number of antennas of the eavesdropping apparatus, and the signal-to-noise ratio of the receiving apparatus and the eavesdropping apparatus.

다음으로, 전력 할당비에 따라 송신전력이 할당된 송신신호를 허가된 수신장치를 향하여 빔포밍한다(304).Next, the transmission signal to which the transmission power is allocated in accordance with the power allocation ratio is beamformed toward the permitted receiving apparatus (304).

본 발명의 일실시예에 따른 송신장치(110)에 있어서, 비밀 신호와 인공 잡음 사이에 신호 대 잡음비를 각 신호의 전력을 통해 제어 할 때, 최대의 보안 전송률을 가질 수 있는 최적 전력 할당 기법은 후술하는 수식들을 참조하여 설명한다.In the transmission apparatus 110 according to an embodiment of the present invention, when controlling the signal-to-noise ratio between the secret signal and the artificial noise through the power of each signal, an optimal power allocation technique capable of having a maximum secure transmission rate is It demonstrates with reference to the following formula | equation.

우선, 본 발명은 송신장치(110)는 다수 개의 송신 안테나(111)를 이용하여 인공 잡음이 포함된 빔포밍을 이용하여 신호를 단일 안테나를 가지는 수신장치(130)로 송신하고, 다중 입력 단일 출력 방식을 따르는 다중 도청 장치(150)는 ne개의 도청 안테나(151)를 이용하여 송신장치(110)로부터 송신된 신호를 도청한다고 가정한다. 이때, 수신장치(130)와 도청장치(150)로 수신되는 신호는 각각 식 1 및 식 2와 같다.First, in the present invention, the transmitter 110 transmits a signal to a receiver 130 having a single antenna by using a beamforming including artificial noise by using a plurality of transmit antennas 111, and multiple input single outputs. It is assumed that the multiple eavesdropping device 150 that follows the scheme taps a signal transmitted from the transmitting device 110 using n e tapping antennas 151. In this case, the signals received by the receiver 130 and the wiretap 150 are shown in Equations 1 and 2, respectively.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

식 1 및 식 2에 있어서, yr은 수신장치(130)가 허가된 합법 채널을 통해 수신하는 신호를 나타내고, ye는 도청장치(150)가 허가 받지 않은 도청 채널을 통해 수신하는 신호를 나타낸다. 여기에서 합법 채널은 송신장치(110)으로부터 수신장치(130)으로 신호가 송신되는 허가된 통신 채널을 의미하고, 도청 채널은 도청장치(150)에 의하여 허가 받지 않은 도청 채널을 의미한다.

Figure pat00003
은 전력 제한
Figure pat00004
을 충족시키는 전송 신호,
Figure pat00005
는 합법 채널의 에르고딕 레일리 페이딩 채널 이득(Ergodic Rayleigh-fading channel gains),
Figure pat00006
는 도청 채널의 에르고딕 레일리 페이딩 채널 이득, snrr은 수신장치(130)에 대한 평균 신호 대 잡음비, snre는 도청장치(150)에 대한 평균 신호 대 잡음비,
Figure pat00007
는 수신장치(130)가 수신한 신호의 부가 백색 가우스 잡음(Additive White Gaussian Noise),
Figure pat00008
는 도청장치(150)가 수신한 신호의 부가 백색 가우스 잡음,
Figure pat00009
는 송신장치(110)의 안테나 수를 나타낸다. 그리고
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
및
Figure pat00014
는 상호 독립적이다.In Equations 1 and 2, y r denotes a signal received by the receiver 130 through an authorized legal channel, and y e denotes a signal received by the eavesdropping device 150 through an unauthorized eavesdropping channel. . Herein, the legal channel means an authorized communication channel through which a signal is transmitted from the transmitting apparatus 110 to the receiving apparatus 130, and the eavesdropping channel means an eavesdropping channel that is not authorized by the eavesdropping apparatus 150.
Figure pat00003
Silver power limit
Figure pat00004
To meet the transmission signal,
Figure pat00005
Ergodic Rayleigh-fading channel gains of the legitimate channel,
Figure pat00006
Is the Ergodic Rayleigh fading channel gain of the eavesdropping channel, snr r is the average signal-to-noise ratio for receiver 130, snr e is the average signal-to-noise ratio for eavesdropper 150,
Figure pat00007
Is an additive white Gaussian noise of the signal received by the receiver 130,
Figure pat00008
Is an additional white Gaussian noise of the signal received by the wiretap device 150,
Figure pat00009
Denotes the number of antennas of the transmitter 110. And
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
And
Figure pat00014
Are mutually independent.

비밀 통신에 있어서, 송신장치는 도청 장치에 간섭을 일으키는 인공 잡음을 사용할 수 있다. 본 발명에서, 전송 신호는 식 3과 같이 송신된 신호는 정보를 포함하는 비밀 신호와 인공 잡음으로 분리 될 수 있다.In secret communication, the transmitting device may use artificial noise causing interference to the eavesdropping device. In the present invention, the transmitted signal can be separated into artificial noise and a secret signal containing the information transmitted as shown in equation (3).

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
Figure pat00016

식 4는 전력 제한을 나타내는 수식으로 최대 전력 제한의 값은 1이다. X는 비밀 신호와 인공 잡음으로 구성된 전송 신호를 나타낸다.

Figure pat00017
는 식 4의 전력 제한을 충족시키는 비밀 신호의 전송 신호,
Figure pat00018
는 식 4의 전력 제한을 충족시키는 인공 잡음의 전송 신호,
Figure pat00019
는 비밀 신호의
Figure pat00020
의 형태를 가지는 빔포밍 벡터(Beamforming Vector),
Figure pat00021
는 인공 잡음의
Figure pat00022
행 및
Figure pat00023
열을 가지는 빔포밍 행렬(Beamforming Matrix),
Figure pat00024
는 비밀 신호의 전력 할당 비를 나타낸다.
Figure pat00025
는 전력 제한 값 1에서 비밀 신호의 전력 할당 비
Figure pat00026
를 뺀 값으로, 결국
Figure pat00027
와
Figure pat00028
는 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 전력 할당 비를 의미한다. 전술한 내용과 같이 합법 채널을 통한 송신 신호는 완전한 채널 상태 정보를 가지고, 도청 채널은 단편적인 채널 상태 정보를 가진다. 단편적인 채널 상태 정보에 의해 채널 상태 정보의 통계량 지식을 참조한다고 가정하면,
Figure pat00029
즉 도청 장치가 없는 경우에 최적 빔포밍 벡터를 선택하는 것이 합리적이다. 허가된 수신장치는 채널 상태 정보의 통계량 지식을 참조하지 않기 때문에,
Figure pat00030
는
Figure pat00031
의 영공간(Null Space)에서 선택된다. 이러한 경우, 수신장치와 도청장치에 수신된 신호는 각각 식 5 및 식 6과 같다.Equation 4 represents a power limit, and the maximum power limit is 1. X represents a transmission signal composed of secret signal and artificial noise.
Figure pat00017
Is the transmission signal of the secret signal, which satisfies the power limit of equation 4,
Figure pat00018
Is the transmission signal of artificial noise,
Figure pat00019
Of secret sign
Figure pat00020
Beamforming Vector having a form of
Figure pat00021
Of artificial noise
Figure pat00022
Row and
Figure pat00023
Beamforming matrix with columns,
Figure pat00024
Denotes the power allocation ratio of the secret signal.
Figure pat00025
Is the power allocation ratio of the secret signal at power limit value 1
Figure pat00026
Minus, and eventually
Figure pat00027
Wow
Figure pat00028
Denotes the power allocation ratio between the secret signal and the artificial noise. As described above, the transmission signal through the legal channel has complete channel state information, and the eavesdropping channel has fragmentary channel state information. Suppose we refer to statistical knowledge of channel state information by fractional channel state information.
Figure pat00029
In other words, it is reasonable to select an optimal beamforming vector in the absence of an eavesdropping device. Because the authorized receiver does not refer to statistics knowledge of channel state information,
Figure pat00030
The
Figure pat00031
It is selected from null space. In this case, signals received by the receiver and the tapping apparatus are shown in Equations 5 and 6, respectively.

Figure pat00032
Figure pat00032

Figure pat00033
Figure pat00033

식5 및 식6은

Figure pat00034
과
Figure pat00035
을 만족한다.
Figure pat00036
는 유니테리 행렬(Unitary Matrix)이기 때문에, 와
Figure pat00038
는 독립적이다. 결국 가우시안 부호록(Gaussian Code Book)을 사용하여 주어진
Figure pat00039
에 대한 보안 전송률
Figure pat00040
는 식 7과 같다. Equations 5 and 6
Figure pat00034
and
Figure pat00035
.
Figure pat00036
Since is a Unitary Matrix, Wow
Figure pat00038
Is independent. Eventually given using the Gaussian Code Book
Figure pat00039
Secure transfer rate for
Figure pat00040
Is the same as Equation 7.

Figure pat00041
Figure pat00041

여기에서,

Figure pat00042
을 만족한다. From here,
Figure pat00042
.

본 발명은 식 7의 최대의 보안 전송률을 달성할 수 있는 최적 전력 할당 기법을 제시한다. 먼저 낮은 SNR(low-SNR)을 가지는 약한(Weak) 도청장치 또는 높은 SNR(high-SNR)을 가지는 강한(Strong) 도청장치에 대한 최대 보안 전송률(식7)을 달성할 수 있는 최적 전력 할당을 결정한다.The present invention proposes an optimal power allocation scheme that can achieve the maximum secure transmission rate of equation (7). First, the optimal power allocation to achieve the maximum secure transmission rate (Equation 7) for weak eavesdropping devices with low SNR or strong eavesdropping devices with high SNR Decide

최대 보안 전송률

Figure pat00043
를 성취할 수 있는 최적 전력 할당은 식 7에 의해 구할 수 있다. 하지만 전력 할당 비
Figure pat00044
중에서 최대 보안 전송률을 가지는 최적 전력 할당 비
Figure pat00045
는
Figure pat00046
의 비 볼록형(Non-convexity) 때문에 분석적으로 결정하기 어렵다. 먼저, 약한 도청장치 또는 강한 도청장치를 위한 전력 할당 문제를 해결하고 이 결과를 일반적인 경우에 있어서, 근사 최적(Near-optimal) 해법으로 확장한다.Maximum secure transfer rate
Figure pat00043
The optimal power allocation that can achieve is given by equation (7). But the power allocation ratio
Figure pat00044
Power allocation ratio with maximum secure transmission rate
Figure pat00045
The
Figure pat00046
It is difficult to determine analytically because of its non-convexity. First, we solve the problem of power allocation for weak or strong taps and extend this result to a near-optimal solution in the general case.

약한 도청장치는 신호 대 잡음비 값이 1보다 아주 작은 도청장치를 의미한다. 이러한 경우,

Figure pat00047
의 값이 매우 작아지기 때문에 결국 식 8과 같이 가정할 수 있다. A weak eavesdropper is a tapping device with a signal-to-noise ratio value of less than one. In this case,
Figure pat00047
Since the value of is very small, it can be assumed as Equation 8.

Figure pat00048
Figure pat00048

식 8에서

Figure pat00049
로 놓으면, 식 7은 식 9와 같이 다시 변형이 가능하다.In Equation 8
Figure pat00049
Equation 7 can be modified again as in Equation 9.

Figure pat00050
Figure pat00050

신호 대 잡음비 값이 1보다 작은 약한 도청장치에 있어서,

Figure pat00051
인 조건에서 최대의 보안 전송률
Figure pat00052
을 가지는 최적 전력 할당 비
Figure pat00053
는 식 10과 같다.In a weak eavesdropper with a signal-to-noise ratio value of less than one,
Figure pat00051
Secure transfer rate under secure conditions
Figure pat00052
Optimal power allocation ratio
Figure pat00053
Is the same as Equation 10.

Figure pat00054
Figure pat00054

Figure pat00055
Figure pat00055

식 11은 약한 도청장치 일 때 설정된 문턱값(Threshold)

Figure pat00056
을 나타낸다. 식11의 문턱값을 가질 때, 최적 전력 할당 비
Figure pat00057
는 식12의 온-오프(On-off) 전력 할당 값을 가진다. Equation (11) sets the threshold set for a weak eavesdropping device.
Figure pat00056
. With the threshold in equation (11), the optimal power allocation ratio
Figure pat00057
Has an on-off power allocation value of Equation 12.

Figure pat00058
Figure pat00058

식 12에 따르면, 송신장치는 수신장치의 합법 채널의 채널 이득 파라미터 크기

Figure pat00059
가 기설정된 문턱값
Figure pat00060
보다 크거나 동일하면 송신전력을 1로 할당하고, 문탁값
Figure pat00061
보다 작으면 송신전력을 0으로 할당한다.According to Equation 12, the transmitting apparatus measures the channel gain parameter size of the legal channel of the receiving apparatus.
Figure pat00059
Is the preset threshold
Figure pat00060
If greater than or equal to 1, transmit power is assigned to 1
Figure pat00061
If it is smaller than 0, transmit power is allocated.

낮은 신호 대 잡음비를 가지는 도청장치에서, 송신장치는 모든 전력을 비밀 신호의 전송을 위해 사용한다. 이러한 경우, 열잡음(Thermal Noise)이 도청장치가 신호를 수신하는 것을 충분히 방해하기 때문에 도청장치에 간섭을 일으키는 인공 잡음을 사용할 필요가 없다. 결과적으로, 온-오프 전력 할당 값은 최적화된다.In an eavesdropper with a low signal-to-noise ratio, the transmitter uses all its power for the transmission of the secret signal. In this case, there is no need to use artificial noise that interferes with the eavesdropping device because the thermal noise sufficiently interferes with the eavesdropping device to receive the signal. As a result, the on-off power allocation value is optimized.

Figure pat00062
와
Figure pat00063
에 따라 온-오프 문턱값
Figure pat00064
는 증가하는 반면에,
Figure pat00065
에 다라 온-오프 문턱값
Figure pat00066
은 거꾸로 감소한다.
Figure pat00067
과
Figure pat00068
값을 0으로 수렴시키면 식 13을 얻을 수 있다.
Figure pat00062
Wow
Figure pat00063
On-off threshold according to
Figure pat00064
On the other hand,
Figure pat00065
On-off threshold
Figure pat00066
Decreases upside down.
Figure pat00067
and
Figure pat00068
Converging the values to zero gives Eq 13.

Figure pat00069
Figure pat00069

다시 말해서, 이러한 특성은 합법 송신에 의한 전송 주파수가

Figure pat00070
에 따라 증가함을 암시한다. In other words, this characteristic indicates that the transmission frequency
Figure pat00070
Imply increasing accordingly.

강한(Strong) 도청장치는 도청 장치의 신호 대 잡음비

Figure pat00071
가 1보다 큰 경우(
Figure pat00072
)를 의미한다. 이러한 경우 식 14와 같이 가정할 수 있다.Strong eavesdropping devices provide the signal-to-noise ratio of eavesdropping devices
Figure pat00071
Is greater than 1 (
Figure pat00072
) Means. In this case, it can be assumed as in Equation 14.

Figure pat00073
Figure pat00073

그리고

Figure pat00074
로 표현하면,
Figure pat00075
인 경우 식 7은 식 15로 표현할 수 있다.And
Figure pat00074
In other words,
Figure pat00075
In Equation 7 can be expressed by Equation 15.

Figure pat00076
Figure pat00076

Figure pat00077
Figure pat00077

신호 대 잡음비 값이 1보다 큰 강한 도청장치에 있어서,

Figure pat00078
인 조건에서 최대의 보안 전송률
Figure pat00079
을 가지는 최적 전력 할당 비
Figure pat00080
는 식 16과 같다. 식 17은 강한 도청장치의 문턱값
Figure pat00081
을 나타낸다.In a strong eavesdropper with a signal-to-noise ratio value greater than one,
Figure pat00078
Secure transfer rate under secure conditions
Figure pat00079
Optimal power allocation ratio
Figure pat00080
Is the same as Eq. Equation 17 is the threshold of a strong eavesdropping device.
Figure pat00081
.

Figure pat00082
Figure pat00082

만약

Figure pat00083
인 경우 최적
Figure pat00084
값은 식 18과 같은 고유한(Unique) 값을 나타낸다.if
Figure pat00083
Is best
Figure pat00084
The value represents a unique value, such as Equation 18.

Figure pat00085
Figure pat00085

만약

Figure pat00086
인 경우,
Figure pat00087
는
Figure pat00088
한 조건에서 식 19과 같은 해를 얻는다.
Figure pat00089
는 식 20와 같다.if
Figure pat00086
Quot;
Figure pat00087
The
Figure pat00088
Under one condition, we get the same solution as in equation 19.
Figure pat00089
Is the same as Equation 20.

Figure pat00090
Figure pat00090

Figure pat00091
Figure pat00091

높은 신호 대 잡음비를 가지는 강한 도청장치를 위한 최적 전력 할당비

Figure pat00092
는
Figure pat00093
와 같다. 이러한 최적 전력 할당비 값은
Figure pat00094
과 평균
Figure pat00095
에 의존하지 않는다. 최적 전력 할당비 값은 단지 송신장치의 안테나 수
Figure pat00096
와 도청장치의 안테나 수
Figure pat00097
의 함수이다. 따라서 단순한 결정론적(deterministic) 전력 할당은 최대의 보안 전송률을 가지는데 충분하다. 강한 도청장치를 위한 어떠한 적응(Adaptive) 전력 할당도 시행할 필요가 없다.Optimal Power Allocation for Strong Eavesdroppers with High Signal-to-Noise Ratio
Figure pat00092
The
Figure pat00093
Same as This optimal power allocation value is
Figure pat00094
And average
Figure pat00095
Does not depend on The optimal power allocation ratio is only the number of antennas in the transmitter
Figure pat00096
Number of antennas and wiretaps
Figure pat00097
. Thus, simple deterministic power allocation is sufficient to have the maximum secure transmission rate. There is no need to implement any adaptive power allocation for strong eavesdropping devices.

일반적으로 식7의 목적 함수가 비볼록형(Non0convexity)이기 때문에 분해적으로(Analytically) 전력 할당비의 최적값을 구하기 어렵다. 따라서, 전환(Switched) 전력 할당을 이용하여 최적 전력 할당비를 구한다.In general, since the objective function of Equation 7 is non-convex, it is difficult to obtain the optimal value of the power allocation ratio analytically. Therefore, the optimal power allocation ratio is obtained using the switched power allocation.

Figure pat00098
Figure pat00098

변환 전력 할당에 있어서, 최적 전력 할당비

Figure pat00099
는 식 21과 같다. 식 22은 변환 전력 할당의 문턱값
Figure pat00100
를 나타낸다.Optimal power allocation ratio in conversion power allocation
Figure pat00099
Is the same as Equation 21. Equation 22 is the threshold of conversion power allocation
Figure pat00100
Indicates.

Figure pat00101
Figure pat00101

약한 도청장치, 강한 도청장치 및 변환 전력 할당의 문턱값 각각이

Figure pat00102
을 만족하는 경우 변환 전력 할당의 전력 할당비
Figure pat00103
는 식 23과 같다.Each of the thresholds of weak taps, strong taps, and conversion power allocation
Figure pat00102
Power allocation ratio of the conversion power allocation if
Figure pat00103
Is the same as Equation 23.

Figure pat00104
Figure pat00104

식 23에 따르면, 송신장치는 수신장치의 합법 채널의 채널 이득 파라미터 크기

Figure pat00105
가 설정된 변환 전력 할당의 문턱값
Figure pat00106
보다 크거나 동일하면 송신전력을 1로 할당한다.
Figure pat00107
가 변환 전력 할당의 문턱값
Figure pat00108
보다는 작고, 강한 도청장치의 문턱값
Figure pat00109
보다 크면 송신전력을 강한 도청장치를 위한 최적 전력 할당비
Figure pat00110
로 설정한다. 그리고 전술한 경우 이외에는 모두 송진전력을 0으로 할당한다.According to Equation 23, the transmitting apparatus measures the channel gain parameter size of the legal channel of the receiving apparatus.
Figure pat00105
Threshold for the set conversion power
Figure pat00106
If greater than or equal, transmit power is assigned to 1.
Figure pat00107
Threshold of Conversion Power Allocation
Figure pat00108
Threshold of smaller, stronger taps
Figure pat00109
Greater than, optimal transmit power allocation ratio for strong eavesdropping device
Figure pat00110
. All of the above-mentioned cases are assigned a rosin power of zero.

약한 도청장치, 강한 도청장치 및 변환 전력 할당의 문턱값 각각이

Figure pat00111
을 만족하지 않는 경우, 변환 전력 할당의 전력 할당비
Figure pat00112
는 식 24와 같다.Each of the thresholds of weak taps, strong taps, and conversion power allocation
Figure pat00111
Is not satisfied, the power allocation ratio of the conversion power allocation
Figure pat00112
Is the same as Eq.

Figure pat00113
Figure pat00113

식 22에서

Figure pat00114
는
Figure pat00115
를 만족한다. In Eq 22
Figure pat00114
The
Figure pat00115
.

Figure pat00116
를 만족하는 경우, 변환 전력 할당비
Figure pat00117
를 위한 인공 잡음을 포함하는 보안 빔포밍을 얻을 수 있는 MISOME 레일리 페이딩 도청 채널의 에르고딕(Ergodic) 보안 전송률(nats/s/Hz)은 식 25와 같다.
Figure pat00116
The conversion power allocation ratio
Figure pat00117
The Ergodic secure transmission rate (nats / s / Hz) of the MISOME Rayleigh fading eavesdropping channel to obtain secure beamforming including artificial noise for

Figure pat00118
Figure pat00118

정보 이론적 관점에서 보면, 보안 통신에서 순간(Instantaneous) 보안 전송률은 목표 보안 전송률보다 낮다. 그러나 이러한 측정치는 합법 연결의 통신 신뢰도와 도청 연결과 반대되는 기밀성 사이에서 통찰력을 제공하지 못한다. 따라서 합법 통신에서 보안성과 신뢰성을 가지는 비밀 정보의 에러 확률에 대한 새로운 개념을 정의하였다. 그리고 보안 에러 확률에서 인공 잡음이 포함된 보안 빔포밍의 다이버시티 효과(Diversity Effect)를 분석한다.From an information theory point of view, the instantaneous secure transmission rate in secure communication is lower than the target secure transmission rate. However, these measures do not provide insight between the communication reliability of a legitimate connection and the confidentiality opposite to an eavesdropping connection. Therefore, a new concept of error probability of secret information with security and reliability in legal communication is defined. In addition, we analyze the diversity effect of security beamforming including artificial noise in security error probability.

식 26의

Figure pat00119
는 합법 수신장치의 순간 SNR이고, 식 27의
Figure pat00120
는 도청장치의 순간 SINR이다.Of equation 26
Figure pat00119
Is the instantaneous SNR of the legal receiver, and
Figure pat00120
Is the instantaneous SINR of the eavesdropping device.

Figure pat00121
Figure pat00121

Figure pat00122
Figure pat00122

보안 점수(Secrecy Score)

Figure pat00123
는 식 28과 같이 정의 된다.Security Score
Figure pat00123
Is defined as Eq. 28.

Figure pat00124
Figure pat00124

순간 보안 전송률은

Figure pat00125
로 표현할 수 있기 때문에, 가우시안 신호에서 보안 점수는 완벽한 보안을 반영한다. M-PSK 또는 M-ary 구상 진폭 변조(Quadrature Amplitude modulation)와 같은 이산(Discrete) 신호에서, 보안 점수
Figure pat00126
는 도청 장치가 존재하는 환경에서 합법 통신을 보호하기 위한 보안 제약을 제공한다.Instantaneous security transfer rate
Figure pat00125
In terms of Gaussian signals, the security score reflects perfect security. Security scores in discrete signals such as M-PSK or M-ary Quadrature Amplitude modulation
Figure pat00126
Provides security constraints for protecting legitimate communications in the presence of eavesdropping devices.

Figure pat00127
Figure pat00127

식 29의 델타 보안 심볼 오류 확률(

Figure pat00128
-secrecy Symbol Error Probability, SEP)
Figure pat00129
는 보안 점수
Figure pat00130
가
Figure pat00131
보다 작을 경우 또는
Figure pat00132
가
Figure pat00133
보다 클 때 합법 수신장치는 비밀 정보를 부정확하게 해독하는 경우의 두 가지 경우 중에 어느 하나의 경우에 대한 확률로 정의된다.
Figure pat00134
는 합법 수신장치에서 해독된 정보,
Figure pat00135
는 비밀의 단계가 드러나는 파라미터이다.Delta security symbol error probability (Equation 29)
Figure pat00128
secrecy Symbol Error Probability (SEP)
Figure pat00129
Security score
Figure pat00130
end
Figure pat00131
Is less than or
Figure pat00132
end
Figure pat00133
When larger, the legitimate receiver is defined as the probability of either of the two cases of incorrectly decrypting secret information.
Figure pat00134
Is information decoded by a legitimate receiver,
Figure pat00135
Is the parameter that reveals the secret level.

어떤 신호에서든,

Figure pat00136
가 1보다 작다면 보안 제약은 보장할 수 없다. 따라서
Figure pat00137
가 1보다 크거나 같은 경우만 고려한다.
Figure pat00138
보안 SEP을 최소화 할 수 있는
Figure pat00139
의 최적값을 결정한다. 그러나 비밀 신호와 인공 잡음 사이의 전력 할당은 높은
Figure pat00140
보안 SEP 곡선의 SNR 경사에 영향을 미치지 못한다. 이런 이유로,
Figure pat00141
의 값을(0,1)로 결정하였다. 예를 들어 전력 할당 비를
Figure pat00142
로 설계한다.At any signal,
Figure pat00136
If is less than 1, security constraints cannot be guaranteed. therefore
Figure pat00137
Consider only if is greater than or equal to 1.
Figure pat00138
To minimize security SEP
Figure pat00139
Determine the optimal value of. But the power allocation between secret signal and artificial noise is high
Figure pat00140
It does not affect the SNR slope of the security SEP curve. because of this,
Figure pat00141
The value of was determined as (0,1). For example, the power allocation ratio
Figure pat00142
Design with.

인공 잡음이 포함된 보안 빔포빙에서 M-PSK의

Figure pat00143
보안 SEP는 식 30과 같이 주어진다.M-PSK in Secure Beamforving with Artificial Noise
Figure pat00143
The security SEP is given by Eq 30.

Figure pat00144
Figure pat00144

식 30에서

Figure pat00145
은 식 31과 같다.In equation 30
Figure pat00145
Is the same as Eq 31.

Figure pat00146
Figure pat00146

식 31에서

Figure pat00147
은 식 32와 같다.In Equation 31
Figure pat00147
Is the same as Eq 32.

Figure pat00148
Figure pat00148

식 32에서,

Figure pat00149
및
Figure pat00150
를 만족하며
Figure pat00151
과
Figure pat00152
는 식 33 및 식34와 같다. In Eq 32,
Figure pat00149
And
Figure pat00150
Satisfying
Figure pat00151
and
Figure pat00152
Is the same as Eq. 33 and Eq. 34.

Figure pat00153
Figure pat00153

Figure pat00154
Figure pat00154

Figure pat00155
보안 SEP 경사의 높은 SNR 경사에서 인공 잡음이 포함된 보안 빔포밍의 다이버시티 영향(Impact)을 수량화한다.
Figure pat00155
Quantify the diversity impact of secure beamforming with artificial noise at the high SNR slope of the secure SEP slope.

Figure pat00156
Figure pat00156

Figure pat00157
보안 SEP의 보안 다이버시티 오더(Secrecy Diversity Order)는 식 35와 같다.
Figure pat00157
The security diversity order of the secure SEP is shown in Eq 35.

이상 바람직한 실시 예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It is possible.

110: 송신장치
130: 수신장치
150: 도청장치
111: 송신 안테나
112: 전력처리부
113: 연산처리부110: transmitter
130: receiver
150: wiretap
111: transmit antenna
112: power processing unit
113: arithmetic processing unit

Claims (9)

다중 입력 단일 출력 다중 도청장치가 존재하는 무선 환경에서 허가된 수신장치에 데이터를 송신하는 보안 송신장치는,
정보를 포함하는 비밀 신호와 전파 방해를 하는 인공 잡음이 포함된 송신 신호에서 상기 비밀 신호와 상기 인공 잡음 사이의 전력 할당비를 계산하는 연산처리부;
상기 계산된 전력 할당비에 따라 상기 송신 신호에 포함된 상기 비밀 신호와 상기 인공 잡음에 송신 전력을 온-오프로 할당하는 전력처리부; 및
상기 전력처리부로부터 수신된 상기 송신 신호를 상기 허가된 수신장치로 빔포밍하는 다수 개의 송신 안테나;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치.In a wireless environment in which multiple input single output multiple eavesdropping devices exist, a secure transmission device for transmitting data to an authorized receiving device includes:
A calculation processor configured to calculate a power allocation ratio between the secret signal and the artificial noise in a transmission signal including a secret signal including information and artificial noise interfering with radio waves;
A power processor for allocating transmission power on-off to the secret signal and the artificial noise included in the transmission signal according to the calculated power allocation ratio; And
A plurality of transmission antennas for beamforming the transmission signal received from the power processing unit to the licensed reception device;
Secure transmission device comprising a. 제 1항에 있어서,
상기 비밀 신호에 대한 접근 권한은 상기 송신 신호의 상기 비밀 신호와 상기 인공 잡음 사이의 상기 신호 대 잡음비에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치. The method of claim 1,
And the access right to the secret signal is determined by the signal to noise ratio between the secret signal of the transmitted signal and the artificial noise. 제 1항에 있어서,
상기 송신 신호의 보안 효과는 델타 보안 심볼 오류 확률(δ-Secrecy Symbol Erroe Probability)을 이용하여 평가하는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치.The method of claim 1,
And a security effect of the transmission signal is evaluated using a delta security symbol error probability (δ-Secrecy Symbol Erroe Probability). 제 1항에 있어서,
상기 전력 할당비는 도청장치의 신호 대 잡음비의 비율에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치.The method of claim 1,
And the power allocation ratio is changed according to a signal-to-noise ratio of the eavesdropping device. 제 1항에 있어서,
상기 도청장치는 상기 비밀 신호와 상기 인공 잡음을 포함하는 송신 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치.The method of claim 1,
And the eavesdropping device receives a transmission signal including the secret signal and the artificial noise. 제 1항에 있어서,
상기 수신장치는 상기 비밀 신호만을 수신하는 것을 특징으로 하는 보안 송신장치.The method of claim 1,
And the receiving device receives only the secret signal. 다중 입력 단일 출력 다중 도청장치가 존재하는 무선 환경에서 송신장치가 데이터를 보안 송신하는 방법에 있어서,
비밀 정보를 포함하는 비밀 신호와 전파 방해를 하는 인공 잡음이 포함된 송신 신호 사이의 전력 할당비를 계산하는 단계;
상기 전력 할당비에 따라 상기 송신 신호에 송신 전력을 할당하는 단계; 및
상기 송신 전력이 할당된 송신 신호를 빔포밍(Beamforming)하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안 송신 방법.A method for transmitting data securely by a transmitter in a wireless environment in which multiple input single output multiple eavesdropping devices exist,
Calculating a power allocation ratio between the secret signal including the secret information and the transmission signal including artificial noise that interferes with propagation;
Allocating transmission power to the transmission signal according to the power allocation ratio; And
Beamforming a transmission signal to which the transmission power is allocated;
Secure transmission method comprising a. 제 7항에 있어서,
상기 전력 할당비에 따라 상기 송신 신호에 송신 전력을 할당하는 단계에서,
상기 송신 전력은 온-오프 방법으로 할당하는 것을 특징으로 하는 보안 송신 방법8. The method of claim 7,
Allocating transmission power to the transmission signal according to the power allocation ratio;
The transmission power is secure transmission method, characterized in that the allocation in the on-off method 제 8항에 있어서,
상기 온-오프 방법의 문턱값(Threshold)은 상기 송신장치의 안테나, 상기 도청장치의 안테나, 상기 수신장치의 신호 대 잡음비 및 상기 도청장치의 신호 대 잡음비를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 보안 송신 방법.The method of claim 8,
The threshold of the on-off method is set using the antenna of the transmitter, the antenna of the eavesdropping device, the signal-to-noise ratio of the receiver and the signal-to-noise ratio of the eavesdropping device. Way.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101437296B1 (en) * 2013-12-04 2014-09-02 한국과학기술원 Message Security method in physical layer and apparatus for transmitting secure message using the same
KR101510590B1 (en) * 2014-03-31 2015-04-10 인하대학교 산학협력단 Apparatus and method of secret communications in multiuser systems
US9960880B2 (en) 2015-03-23 2018-05-01 Huawei Technologies Co., Ltd. Signal sending method and device
CN110113082A (en) * 2019-03-20 2019-08-09 中山大学 The method of the Robust Secure and rate optimized problem of multiple antennas non-orthogonal multiple access system based on the transmission of orthogonal space-time block coding
KR20190106562A (en) * 2018-03-09 2019-09-18 국방과학연구소 Wireless secure transmission method
KR20200078817A (en) * 2018-12-24 2020-07-02 한국과학기술원 Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme under correlated main channels and wiretap channels
CN112153674A (en) * 2020-08-17 2020-12-29 西安交通大学 Communication system power distribution method, device, terminal and readable storage medium
CN112260796A (en) * 2020-10-21 2021-01-22 三维通信股份有限公司 Method and device for controlling interference signal emission
CN114567397A (en) * 2022-02-17 2022-05-31 南京邮电大学 Safety symbol-level precoding method for wireless communication system
KR102657928B1 (en) * 2022-10-11 2024-04-15 전북대학교산학협력단 System for Communication Security in MIMO Antenna System of Power-Balanced Space-Time Block Coding and Method Thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101645204B1 (en) * 2015-08-28 2016-08-04 고려대학교 산학협력단 Optimal secondary user selection scheme for physical layer security in cognitive radio networks

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100598601B1 (en) * 2003-08-21 2006-07-07 한국전자통신연구원 Transmitting/receiving apparatus for closed loop space time block code system having multiple input multiple output antennas and method thereof, and transmitting power allocation method thereof
KR100914040B1 (en) * 2007-12-05 2009-08-28 세원텔레텍 주식회사 Interference cancellation apparatus and method for MIMO type wireless repeater
KR101651934B1 (en) * 2010-01-05 2016-09-09 삼성전자주식회사 Apparatus for managing interference generating in multi user interference channel

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101437296B1 (en) * 2013-12-04 2014-09-02 한국과학기술원 Message Security method in physical layer and apparatus for transmitting secure message using the same
KR101510590B1 (en) * 2014-03-31 2015-04-10 인하대학교 산학협력단 Apparatus and method of secret communications in multiuser systems
US9960880B2 (en) 2015-03-23 2018-05-01 Huawei Technologies Co., Ltd. Signal sending method and device
KR20190106562A (en) * 2018-03-09 2019-09-18 국방과학연구소 Wireless secure transmission method
KR20200078817A (en) * 2018-12-24 2020-07-02 한국과학기술원 Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme under correlated main channels and wiretap channels
CN110113082B (en) * 2019-03-20 2021-12-07 中山大学 Method for solving robust safety and rate optimization problem of multi-antenna non-orthogonal multiple access system based on orthogonal space-time block coding transmission
CN110113082A (en) * 2019-03-20 2019-08-09 中山大学 The method of the Robust Secure and rate optimized problem of multiple antennas non-orthogonal multiple access system based on the transmission of orthogonal space-time block coding
CN112153674A (en) * 2020-08-17 2020-12-29 西安交通大学 Communication system power distribution method, device, terminal and readable storage medium
CN112153674B (en) * 2020-08-17 2022-02-11 西安交通大学 Communication system power distribution method, device, terminal and readable storage medium
CN112260796A (en) * 2020-10-21 2021-01-22 三维通信股份有限公司 Method and device for controlling interference signal emission
CN112260796B (en) * 2020-10-21 2023-02-21 三维通信股份有限公司 Method and device for controlling interference signal emission
CN114567397A (en) * 2022-02-17 2022-05-31 南京邮电大学 Safety symbol-level precoding method for wireless communication system
CN114567397B (en) * 2022-02-17 2023-12-01 南京邮电大学 Safety symbol level pre-coding method for wireless communication system
KR102657928B1 (en) * 2022-10-11 2024-04-15 전북대학교산학협력단 System for Communication Security in MIMO Antenna System of Power-Balanced Space-Time Block Coding and Method Thereof
WO2024080519A1 (en) * 2022-10-11 2024-04-18 전북대학교산학협력단 System and method for communication security in multi-antenna system using power control space-time block code

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