KR20190003087A - Method for improving secrecy performance of full-duplex relay system with randomly located eavesdroppers - Google Patents

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KR20190003087A
KR20190003087A KR1020170083567A KR20170083567A KR20190003087A KR 20190003087 A KR20190003087 A KR 20190003087A KR 1020170083567 A KR1020170083567 A KR 1020170083567A KR 20170083567 A KR20170083567 A KR 20170083567A KR 20190003087 A KR20190003087 A KR 20190003087A
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eavesdroppers
full
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duplex relay
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KR1020170083567A
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이재홍
정동현
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서울대학교산학협력단
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    • H04K1/00Secret communication
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    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The present invention relates to a method to improve security performance of a full-duplex relay system including a plurality of randomly located eavesdroppers, capable of increasing efficiency of a frequency. According to the present invention, when the randomly located eavesdroppers exist in the full-duplex relay system, a transmitter (source, S) and a receiver (destination, D) perform communication through a full-duplex relay (R) using a decode-and-forward scheme.

Description

무작위로 위치한 다수 도청자가 존재하는 전이중 중계 시스템의 보안 성능을 향상시키는 방법 {METHOD FOR IMPROVING SECRECY PERFORMANCE OF FULL-DUPLEX RELAY SYSTEM WITH RANDOMLY LOCATED EAVESDROPPERS}METHOD FOR IMPROVING SECURITY PERFORMANCE OF FULL-DUPLEX RELAY SYSTEM WITH RANDOMLY LOCATED EAVESDROPPERS FIELD OF THE INVENTION [0001]

본 발명은 무작위로 위치해 있는 다수 도청자가 송신기가 보내는 신호를 도청할 때, 전이중 중계 방식을 이용해 보안 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이며, 통신의 물리 계층 보안과 관련된 기술이다.The present invention relates to a method for enhancing security performance using a full duplex relay method when a randomly located multiple eavesdropping eavesdrop on a signal sent by a transmitter, and is related to physical layer security of communication.

전이중 중계 시스템은 중계기가 송신기가 보내는 신호를 받는 동시에 수신기로 신호를 전송하는 중계 시스템으로서 반이중 중계 시스템보다 자원을 효율적으로 사용하여 전송률을 향상시킬 수 있다. 무작위로 위치한 다수 도청자는 위치가 정해진 것이 아니라 Poisson Point Process에 따라 랜덤하게 위치해 있는 도청자를의미한다.A full - duplex relay system is a relay system in which a repeater receives a signal transmitted from a transmitter and transmits a signal to a receiver, and can improve the transmission rate by using resources more efficiently than a half - duplex relay system. Randomly located multiple eavesdroppers are not positioned, but rather randomly located eavesdroppers according to the Poisson Point Process.

[1]에서는 무작위로 위치한 다수 도청자가 존재할 때, 송신기와 수신기가 복호 후 전송 기법을 사용하는 반이중 중계기를 통해 통신하는 반이중 중계 시스템을 제안하였다. 이 시스템에서 중계기는 반이중 방식으로 동작하기 때문에 송신기가 두 개의 홉으로 수신기에게 정보를 전송하므로 자원이 비효율 적으로 사용 되며, 도청자는 수신기와 중계기 중에 한 기기로부터 신호를 받기 때문에 도청하기 용이하다.[1] proposed a half-duplex relay system in which a transmitter and a receiver communicate via a half-duplex repeater using a post-decode transmission technique when there are multiple randomly located eavesdroppers. In this system, the repeater operates in a half-duplex manner, so the transmitter sends information to the receiver in two hops, which makes it inefficient to use the resources, and the eavesdropper is easy to eavesdrop because it receives signals from one of the receiver and the repeater.

[1] C. Liu, N. Yang, R. Malaney, and J. Yuan, “Artificial-noise-aided transmission in multi-antenna relay wiretap channels with spatially random eavesdroppers,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 15, no. 11, pp. 7444-7456, Nov. 2016.[1] C. Liu, N. Yang, R. Malaney, and J. Yuan, "Artificial-noise-aided transmission in multi-antenna relay wiretap channels with spatially random eavesdroppers," IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 15, no. 11, pp. 7444-7456, Nov. 2016.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라할 수는 없다.The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

본 발명은 무작위로 위치한 다수 도청자가 존재할 때, 송신기와 수신기가 복호 후 전송 기법을 사용하는 전이중 중계기를통해 통신하는 전이중 중계 시스템을 제안하였다.The present invention proposes a full-duplex relay system in which a transmitter and a receiver communicate via a full-duplex repeater using a post-decode transmission technique when there are multiple randomly located eavesdroppers.

본 발명의 일 실시예는, 무작위로 위치한 다수 도청자가 존재하는 전이중 중계 시스템의 보안 성능을 향상시키는 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a method for enhancing the security performance of a full-duplex relay system in which multiple eavesdroppers are located at random.

본 발명에 따르면 전이중 중계 시스템에서는 반이중 중계 시스템 보다 주파수 효율이 증가하며 송신기와 중계기의 동시 신호 전송이 도청자의 도청을 방해한다는 이점이 있다.According to the present invention, the full-duplex relay system has an advantage that the frequency efficiency is higher than that of the half-duplex relay system, and simultaneous signal transmission between the transmitter and the repeater hinders eavesdropping of the eavesdropper.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 도청자가 존재할 때의 전이중 중계 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a full duplex relay system in the presence of a plurality of eavesdroppers according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. The effects and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the drawings. Hereinafter, a repeated description, a known function that may obscure the gist of the present invention, and a detailed description of the configuration will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에한정되는 것이 아니라 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성되어 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는한 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but all or some of the embodiments may be selectively combined and implemented in various forms. In the following embodiments, the terms first, second, and the like are used for the purpose of distinguishing one element from another element, not the limitative meaning. Also, the singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Also, the terms include, including, etc. mean that there is a feature, or element, recited in the specification and does not preclude the possibility that one or more other features or components may be added.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding parts throughout the several views, and redundant description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 도청자가 존재할 때의 전이중 중계 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a full duplex relay system in the presence of a plurality of eavesdroppers according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 무작위로 위치한 다수 도청자(도면에서 회색 원)가 존재할 때 송신기(source, S)와 수신기(destination, D)가 복호 후 전송 기법을 사용하는 전이중 중계기(relay, R)를 통해 통신하는 전이중 중계 시스템을 제안한다. 송신기, 중계기, 그리고 수신기는 정해진 위치에 있고 송수신기 사이의 직접 경로는 없다고 가정한다. 다수의 도청자는

Figure pat00001
의 밀도를 가지는 homogeneous Poisson Point Process
Figure pat00002
를 따라 공간적으로 위치해 있다고 가정한다. 전이중 중계기는 두개의 안테나를 가지고 있어 각각 송신과 수신하는데 사용하며, 다른 기기들은 단일 안테나를 가지고 있다고 가정한다.In the present invention, a transmitter (source S) and a receiver (destination D) communicate with each other via a full-duplex relay (R) using a transmission technique after decryption when a randomly located multiple eavesdroppers We propose a full duplex relay system. It is assumed that the transmitter, the repeater, and the receiver are in a fixed position and there is no direct path between the transceivers. Many eavesdroppers
Figure pat00001
Homogeneous Poisson Point Process
Figure pat00002
As shown in FIG. A full-duplex repeater has two antennas, one for transmitting and receiving, and the other for receiving a single antenna.

통신은 블록단위로 이루어진다. 각 블록에서 송신기는 중계기로 신호를 전송하는 동시에 중계기가 수신기로 신호를 전송한다. 이 때, 중계기는 송신기로부터 전송된 신호 뿐만 아니라 자기 자신이 전송한 자기 간섭(self-interference) 신호를 같이 받는다. 중계기는 수신 신호를 복호하고 다시 부호화하여 다음 블록에서 수신기에게 전송한다.Communication is done in block units. In each block, the transmitter transmits the signal to the repeater while the repeater transmits the signal to the receiver. At this time, the repeater receives not only the signal transmitted from the transmitter but also a self-interference signal transmitted by itself. The repeater decodes the received signal, re-encodes it, and transmits it to the receiver in the next block.

다수의 도청자는 송신기와 중계기가 전송한 신호를 ?듣는다고 가정한다. 송신기와 중계기는 서로 다른 부호록(code book)을 사용하여 도청자가 첫 번째 홉(S-R)과 두 번째 홉(R-D)에서 받은 신호를 따로 복호화 해야 한다고 가정한다. 또한 다수의 도청자는 non-colluding해서 서로 협력하지 않고 자신이 수신한 신호만을 가지고 정보를 복호한다고 가정한다.Many eavesdroppers assume that they hear the signals transmitted by the transmitter and the repeater. The transmitter and the repeater use different code books to assume that the eavesdropper must separately decode the signal received from the first hop (S-R) and the second hop (R-D). Also, many eavesdroppers assume that they do not cooperate with each other and decode information only with the signal they receive.

채널은 한 블록 동안 일정하며 블록 단위로 변한다고 가정한다. k번째 블록에서 기기 i와 j 사이의 채널 계수를

Figure pat00003
라고 표기하며 각 채널은 평균이 0이고 분산이
Figure pat00004
인 가산 백색 가우시안 잡음을 가진다고 가정한다. 기기 i와 j 사이의 거리를
Figure pat00005
라고 표기하며 기기 i의 전송 전력을
Figure pat00006
라고 표기한다. 자기 간섭 제거(self-interference cancellation) 후에 남은 자기 간섭의 비율을
Figure pat00007
라고 표기한다.It is assumed that the channel is constant for one block and changes in block units. The channel coefficients between devices i and j in the kth block
Figure pat00003
Each channel has an average of 0 and variance
Figure pat00004
Is assumed to have additive white Gaussian noise. The distance between devices i and j is
Figure pat00005
And the transmission power of the device i
Figure pat00006
. The ratio of the remaining magnetic interference after self-interference cancellation
Figure pat00007
.

k 번째 블록에서 중계기와 한 도청자 e의 신호대간섭잡음비(signal-to-interference-plus-noise ratios, SINRs)는 다음과 같다.In the kth block, the signal-to-interference-plus-noise ratios (SINRs) of the repeater and one eavesdropper are as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00008
Figure pat00008

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00009
Figure pat00009

k+1 번째 블록에서 수신기와 도청자 e의 신호대간섭잡음비는 다음과 같다.The signal-to-noise ratio of the receiver and the eavesdropper e in the k + 1th block is as follows.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00010
Figure pat00010

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00011
Figure pat00011

복호 후 전송 방식으로 중계될 때, 송수신기 사이의 단대단(end-to-end) 신호대간섭잡음비는 다음과 같다.The end-to-end signal-to-noise-and-noise-and-noise ratio between the transceivers when relayed to the transmission system after decoding is as follows.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00012
Figure pat00012

송신기와 중계기가 서로 다른 부호록을 사용 할 때, 도청자 e의 신호대간섭잡음비는 다음과 같다.When the transmitter and the repeater use different code locks, the signal-to-noise interference ratio of the eavesdropper e is as follows.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00013
Figure pat00013

다수의 도청자가 non-colluding할 때, 시스템의 보안전송률(secrecy rate)은 가장 해로운 도청자에 의해 결정된다. 여기서 가장 해로운 도청자란 그것의 신호대간섭잡음비가 가장 큰 도청자를 의미하며 가장 해로운 도청자의 신호대간섭잡음비는 다음과 같다.When multiple eavesdroppers are non-colluding, the system's secrecy rate is determined by the most detrimental eavesdropper. Here, the most harmful eavesdropper means the eavesdropper with the largest signal-to-interference noise ratio, and the worst eavesdropper's signal-to-noise interference ratio is

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00014
Figure pat00014

시스템의 보안 전송률은 다음과 같다.The security transfer rate of the system is as follows.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서

Figure pat00016
는 0과
Figure pat00017
중에 큰 값을 반환하는 함수이다. 이 때, 시스템의 보안불능확률(secrecy outage probability)과 평균보안전송률(average secrecy rate)는 다음과 같다.here
Figure pat00016
0 and
Figure pat00017
Is a function that returns a large value. In this case, the secrecy outage probability and the average secrecy rate of the system are as follows.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00018
Figure pat00018

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure pat00019
Figure pat00019

본 발명은 다수의 도청자에게 도청 당할 가능성이 있고 송수신기 사이의 직접경로가 없는 환경에서 중계기를 통해 중요한 정보를 전송하는 시스템에 적용할 수 있다. 특히 군사적으로 보안이 필요한 정보를 전달할 때나 정보를 ?들을 수 있는 사용자가 많은 지역에서 통신을 할때 사용할 수 있다.The present invention is applicable to a system for transmitting important information through a repeater in an environment where a plurality of eavesdroppers are likely to be eavesdropped and there is no direct path between the transceivers. It can be used especially when communicating security-critical information in military situations or communicating in areas where users can hear information.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어시스템들, 소프트웨어, 상기시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.The specific acts described in the present invention are, by way of example, not intended to limit the scope of the invention in any way. For brevity of description, descriptions of conventional electronic configurations, control systems, software, and other functional aspects of such systems may be omitted. Also, the connections or connecting members of the lines between the components shown in the figures are illustrative of functional connections and / or physical or circuit connections, which may be replaced or additionally provided by a variety of functional connections, physical Connection, or circuit connections. Also, unless explicitly mentioned, such as " essential ", " importantly ", etc., it may not be a necessary component for application of the present invention.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all ranges that are equivalent to or equivalent to the claims of the present invention as well as the claims .

Claims (1)

무작위로 위치한 다수 도청자가 존재하는 전이중 중계 시스템의 보안 성능을 향상시키는 방법.A method for improving the security performance of a full-duplex relay system in which multiple randomly located eavesdroppers are present.
KR1020170083567A 2017-06-30 2017-06-30 Method for improving secrecy performance of full-duplex relay system with randomly located eavesdroppers KR20190003087A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102282744B1 (en) * 2020-03-26 2021-07-27 홍익대학교세종캠퍼스산학협력단 Opportunistic scheduling method to improve the Physical-Layer Security in MU-MISO NOMA systems

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