KR20190059508A - 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 수확 재머를 이용한 무선 전력 전송 통신에서 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 전송 시간 할당 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법은 에너지 수확 재머를 이용한 보안 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN)에서 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 전송 시간 할당 방법을 제공함으로써 정보 보안에 효율적인 에너지 수확 통신 시스템을 구축할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법{METHOD FOR ALLOCATING TIME IN WIRELESS POWERED COMMUNICATION NETWORKS}
본 발명은 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 수확 재머를 이용한 무선 전력 전송 통신에서 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 전송 시간 할당 방법에 관한 것이다.
최근 무선 주파수 신호(RF)를 이용한 EH 통신 시스템이 학계 및 업계에서 각광을 받고 있다. 특히 재난, 극한 환경 또는 인체 내부 센서 네트워크와 같이 직접적으로 전력을 공급하기 까다로운 상황에서 상당히 유용한 기술이다. 관련 선행문헌으로 등록특허 10-0920696호가 있다.
에너지 수확 통신 시스템의 한 종류인 WPCN의 경우 먼저 첫 번째 에너지 전송(ET) 시간 동안 하나의 하이브리드 엑세스 포인트(H-AP)가 에너지 신호를 송신하고 사용자는 그 신호를 이용하여 에너지를 수확(EH)을 시행한다. 다음 정보 전송(IT) 시간 동안에는 수확한 에너지를 바탕으로 사용자가 H-AP로 정보 신호를 전송한다.
에너지 수확 통신 네트워크는 RF 신호 특성상 에너지 전송 거리가 짧고 사물 인터넷이나 작은 셀에 높은 활용도를 보인다. 한편 근래에 이런 소규모 네트워크에서의 보안 위협이 크게 대두되고 있으며 다양한 EH 통신 시스템에 관해서의 물리 계층 보안 기법 역시 큰 관심을 받고 있다.
최근에는 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN)에서 사용자의 정보 전송량을 최대화하는 최적 시간 할당 기술이 등장하고 있다. 하지만 종래 기술은 도청자의 존재 여부를 고려하지 않았기 때문에 도청자가 존재하는 WPCN에서 H-AP와 사용자 간의 정보 노출을 최소화시킬 수 있는 새로운 시간 할당 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN)에서 하나의 도청자가 존재할 때 에너지 수확 재머를 이용하여 에너지 수확 사용자가 하이브리드 엑세스 포인트(H-AP)로 보내는 신호의 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 에너지 전송 시간 및 정보 전송 시간을 할당하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 에너지 수확 재머를 이용한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간을 할당하는 방법에 관한 것으로, 주파수 대역 정보를 획득하는 단계; 보안 전송량의 상한 허용치를 획득하는 단계; 에너지 전송 단계에서 하이브리드 엑세스 포인트가 사용자에게 에너지를 전송하는 제1채널 정보, 및 상기 하이브리드 엑세스 포인트가 재머에게 에너지를 전송하는 제2채널 정보를 획득하는 단계;
정보 전송 단계에서 상기 사용자가 상기 하이브리드 엑세스 포인트로 정보를 전송하는 제3채널 정보, 상기 재머가 상기 하이브리드 엑세스 포인트로 정보를 전송하는 제4채널 정보, 상기 사용자가 도청자에게 정보를 전송하는 제1채널 분포 및 상기 재머가 도청자에게 재밍 신호를 전송하는 제2채널 분포를 획득하는 단계; 상기 획득된 주파수 대역 정보, 상기 보안 전송량의 상한 허용치, 상기 제1채널 정보, 상기 제2채널 정보, 상기 제3채널 정보, 상기 제4채널 정보, 상기 제1채널 분포, 및 상기 제2채널 분포를 이용하여 보안 실패 확률이 최소가 되도록 상기 에너지 전송 단계 및 상기 정보 전송 단계에서 할당된 시간을 산출하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법이 개시된다.
본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법은 에너지 수확 재머를 이용한 보안 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN)에서 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 전송 시간 할당 방법을 제공함으로써 정보 보안에 효율적인 에너지 수확 통신 시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당을 위한 에너지 수확 시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 엑세스 포인트의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법에 따른 성능과 다른 방식으로 전송 시간을 할당하는 방법에 따른 성능을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 실시예에서는 하나의 도청자가 존재하는 환경에서 에너지 수학(EH, Energy Harvesting) 재머를 이용하여 EH 사용자가 하이브리드 엑세스 포인트(H-AP)로 보내는 신호의 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 에너지 전송(ET, energy transfer)/정보 전송(IT, information transfer) 시간 할당 방법에 대해 설명하기로 한다. 또한, 고려하는 통신 시스템은 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN, Wireless Powered Communication Networks)이다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당을 위한 에너지 수확 시스템을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 통신 네트워크 시스템은 하이브리드 엑세스 포인트(100), 사용자(200), 재머(300) 및 도청자(400)를 포함할 수 있다.
먼저 첫 번째 에너지 전송(ET) 시간
Figure pat00001
동안 하나의 H-AP(100)가 에너지 신호를 송신하고 사용자(200)와 재머(300)는 그 신호를 이용하여 에너지 수확(EH)을 수행한다. 다음 정보 전송(IT) 시간
Figure pat00002
동안에 수확한 에너지를 바탕으로 사용자(200)는 H-AP(100)로 정보 신호를 전송하고 재머(300)는 도청자(400)의 정보 해독을 막기 위해 재밍 신호를 송신한다. 일반성을 잃지 않기 위해 총 통신 단위 시간은 1로 정한다.
통신 채널은
Figure pat00003
로 칭하고 Rayleigh 확률 분포를 따르며
Figure pat00004
이다. 더 나아가 채널 reciprocity와 quasi-static flat fading을 가정하고 H-AP(100), 사용자(200) 그리고 재머(300)는 서로간의 채널 정보(CSI)를 알고 있다고 가정한다.
한편 도청자(400)에 대해서는 오직 채널 분포 정보(CDI)와 물리적인 위치만 감지되어 있으며 정확한 CSI는 알 수 없는 상태를 가정한다.
먼저 첫 번째 ET 시간 동안 EH단
Figure pat00005
에 수신되는 신호는 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00006
여기에서
Figure pat00007
는 H-AP의 송신 전력,
Figure pat00008
는 거리에 따른 신호 감쇠,
Figure pat00009
는 H-AP의 에너지 신호, 그리고 는 백색 잡음이다. 이때 EH단
Figure pat00011
이 수확하는 에너지 양은 하기 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure pat00012
여기서
Figure pat00013
는 에너지 수확(EH) 효율을 나타낸다.
다음 IT 시간 동안 수확한 에너지를 바탕으로 사용자(200)가 H-AP(100)로 전송하는 신호는
Figure pat00014
이고 재머(300)가 전송하는 재밍 신호는
Figure pat00015
이다. 이때 H-AP(100)와 도청자(400)에 수신되는 신호는 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
이며
Figure pat00018
는
Figure pat00019
의 송신 전력을,
Figure pat00020
는 수확한 에너지 중 실제 송신에 이용되는 전력 비율 나타낸다.
H-AP(100)와 재머(300)끼리는 협력을 한다고 가정한다. 즉, 재머(300)가 매 순간 생성하는 재밍 신호 집합과 순서는 이미 H-AP(100)에게 알려져 있고 그에 따라 H-AP(100)는 수신 신호에서 재밍 신호를 완벽히 상쇄할 수 있다고 가정한다.
이런 경우 신호 대 간섭 및 잡음 비율 (SINR)은 하기 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
이다. 또한, σ2 S는 상기 H-AP(100)의 노이즈에 대한 분산을, σ2 E는 도청자(400)의 노이즈에 대한 분산을 나타낸다.
이를 토대로 보안 전송량은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00025
여기서,
Figure pat00026
는 주파수 대역을 뜻한다.
이하, 본 발명의 일실시예에서 해결하고자 하는 문제는 도청자(400)의 채널 분포 정보(CDI)만 주어진 상황에서 사용자(200)와 H-AP(100)간 정보의 물리 계층 보안을 위한 다음의 보안 실패 확률 최소화 문제이다. 그리고 그러한 문제는 하기 수학식 6으로 표현된다.
Figure pat00027
여기에서 rth는 시스템에서 목표로 하는 보안 전송량의 상한 허용치이다.
다음으로 보안 실패 확률과 보안 실패 확률의 상한식을 구하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저 수식적인 전개를 통해 H-AP(100)에서의 정보 전송량이 상한 허용치
Figure pat00028
보다 낮으면, 또는
Figure pat00029
일 때
Figure pat00030
이고 물리 계층 보안 관점에서 보안 실패는 반드시 일어나게 된다.
반면
Figure pat00031
일 때의 보안 실패 확률은
Figure pat00032
의 변수 치환을 이용하여 표현하면 하기 수학식 7처럼 나타낼 수 있다.
Figure pat00033
여기에서
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
이다. 즉, 하기 수학식 8과 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure pat00037
한편 위의
Figure pat00038
은
Figure pat00039
에 대하여 non-convex이기 때문에 최적해를 구하는 과정은 일차원 완결 탐색을 통해서만 얻어질 수 있으므로 상당히 높은 복잡도를 요구한다.
본 발명의 일실시예에서는 좀 더 용이한 분석을 위해 보안 실패 확률의 상한식
Figure pat00040
을 이용한다. 구체적으로 도청자(400)에서 발생하는 잡음
Figure pat00041
를 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하게 되면 다음과 같은 성질을 얻을 수 있고, 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00042
풀고자 하는 문제는 결국 하기 수학식 10과 같이 근사할 수 있다.
Figure pat00043
이하에서는 상기 수학식 10을 이용하여 낮은 복잡도의 에너지 전송(ET) 시간 및 정보 전송(IT) 시간을 할당하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저 조건식
Figure pat00044
이
Figure pat00045
에 대하여 concave 성질을 지니고 있기 때문에 (P.1)의
Figure pat00046
가 가질 수 있는 해의 집합은 convex 집합임을 알 수 있다. 또한
Figure pat00047
번째 branch의 Lambert W 함수
Figure pat00048
를 이용하여 해의 집합을
Figure pat00049
로 표현할 수 있다. 상기 해의 집합은 하기 수학식 11로 표현될 수 있다.
Figure pat00050
여기서,
Figure pat00051
이다.
다음으로
Figure pat00052
는
Figure pat00053
에 대한 단조증가함수이며
Figure pat00054
를
Figure pat00055
에 대하여 미분을 취하게 되면 하기 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure pat00056
상기 수학식 12에 따라
Figure pat00057
를 최소화 시키는 해는 하기 수학식 13 또는 하기 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00058
Figure pat00059
Figure pat00060
이고, W는 주파수 대역이고, 상기 는 수확한 에너지 중 실제 송신에 이용되는 전력 비율이고,
Figure pat00061
는 H-AP(100)의 송신 전력,
Figure pat00062
는 거리에 따른 신호 감쇠, σ2 S는 상기 H-AP(100)의 노이즈에 대한 분산을 나타낸다.
특히
Figure pat00063
이고 이에 대해
Figure pat00064
그리고
Figure pat00065
이기 때문에
Figure pat00066
는 (P.1)의 최적해가 된다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 엑세스 포인트의 블록도이다.
도시된 하이브리드 엑세스 포인트(100)는 연산부(110) 및 전송 시간 할당부(120)를 포함할 수 있다.
연산부(110)는 수학식 13 또는 수학식 14를 이용하여 최적의 에너지 전송(ET) 시간을 산출하고, 상기 결정된 에너지 전송(ET) 시간에 근거하여, 정보 전송(IT) 시간을 산출할 수 있다.
전송 시간 할당부(120)는 산출된 최적의 에너지 전송(ET) 시간 및 정보 전송(IT) 시간을 에너지 전송 시간 및 정보 전송 시간으로 할당할 수 있다. 그리고 할당된 전송 시간 결과를 동기화를 위해 사용자(200) 및 재머(300)에게 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법에 따른 성능과 다른 방식으로 전송 시간을 할당하는 방법에 따른 성능을 비교한 그래프이다. 본 그래프에서 성능은 평균 보안 실패 확률로 표현된다. 도 3의 실시예는 하기 표 1에 변수를 이용하였다.
변수 값
Figure pat00067
Figure pat00068
Figure pat00069
 6 m
Figure pat00070
 3 m
Figure pat00071
 4 m
Figure pat00072
 1 MHz
Figure pat00073
Figure pat00074
Figure pat00075
Figure pat00076
Figure pat00077
 -160 dBm/Hz
Figure pat00078
 100 kbps
Proposed Closed-form은 수학식 13 또는 수학식 14의 낮은 복잡도로 산출하여 에너지 전송 시간 및 정보 전송 시간을 할당 경우의 성능이고, Optimal 모든 경우의 에너지 전송 시간을 고려하여 산출한 경우의 성능이고, ETA는 ET와 IT 시간 균등 배분한 경우의 성능이고, IRM은 도청자의 존재를 무시한 채 정보 전송량만을 최대화하는 종래 기술의 성능이고, w/o Jammer는 재머의 도움 없이 시간 할당 최적화하는 경우의 성능을 나타낸다.
도 3을 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일실시예에 의한 방법은 성능은 Optimal과 거의 동일하지만, 복잡도가 낮다는 장점이 있다. 또한, 다른 방법에 비해서는 성능이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법은 에너지 수확 재머를 이용한 보안 무선 전력 전송 통신 네트워크(WPCN)에서 물리 계층 보안을 위한 낮은 복잡도의 전송 시간 할당 방법을 제공함으로써 정보 보안에 효율적인 에너지 수확 통신 시스템을 구축할 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예와 관련된 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.
또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기와 같이 설명된 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 하이브리드 엑세스 포인트
110: 연산부
120: 전송 시간 할당부
200: 사용자
300: 재머
400: 도청자

Claims (6)

  1. 에너지 수확 재머를 이용한 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간을 할당하는 방법에 관한 것으로,
    주파수 대역 정보를 획득하는 단계;
    보안 전송량의 상한 허용치를 획득하는 단계;
    에너지 전송 단계에서 하이브리드 엑세스 포인트가 사용자에게 에너지를 전송하는 제1채널 정보, 및 상기 하이브리드 엑세스 포인트가 재머에게 에너지를 전송하는 제2채널 정보를 획득하는 단계;
    정보 전송 단계에서 상기 사용자가 상기 하이브리드 엑세스 포인트로 정보를 전송하는 제3채널 정보, 상기 재머가 상기 하이브리드 엑세스 포인트로 정보를 전송하는 제4채널 정보, 상기 사용자가 도청자에게 정보를 전송하는 제1채널 분포 및 상기 재머가 도청자에게 재밍 신호를 전송하는 제2채널 분포를 획득하는 단계;
    상기 획득된 주파수 대역 정보, 상기 보안 전송량의 상한 허용치, 상기 제1채널 정보, 상기 제2채널 정보, 상기 제3채널 정보, 상기 제4채널 정보, 상기 제1채널 분포, 및 상기 제2채널 분포를 이용하여 보안 실패 확률이 최소가 되도록 상기 에너지 전송 단계 및 상기 정보 전송 단계에서 할당된 시간을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전송 시간 할당 방법은
    상기 산출된 상기 에너지 전송 단계에서의 할당 시간 및 상기 정보 전송 단계에서 할당 시간에 대한 정보를 상기 사용자 및 상기 재머에게 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 엑세트 포인트, 상기 사용자, 상기 재머는 서로 간의 채널 정보가 공유되고,
    상기 도청자에 대해서는 채널 분포 정보가 공유되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하이브리드 엑세트 포인트와 상기 재머는 협력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보안 실패 확률은 하기 수학식 1을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00079

    (여기서
    Figure pat00080
    ,
    Figure pat00081
    ,
    Figure pat00082
    이다.)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 전송 단계 및 상기 정보 전송 단계에서 할당된 시간을 산출하는 단계는 하기 수학식 2를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 통신에서 전송 시간 할당 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00083

    (여기서
    Figure pat00084
    이고,
    Figure pat00085
    이고, W는 주파수 대역이고, 상기 는 수확한 에너지 중 실제 송신에 이용되는 전력 비율이고,
    Figure pat00086
    는 하이브리드 엑세스 포인트의 송신 전력,
    Figure pat00087
    는 거리에 따른 신호 감쇠, σ2 S는 상기 하이브리드 엑세스 포인트의 노이즈에 대한 분산을 나타낸다.)
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