KR20190074086A - 시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치는, 무선 신호를 송수신하는 복수의 안테나, 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 처리하여 서로 다른 시간에 송신하기 위한 복수의 부호화 신호를 출력하는 STLC(Space-Time Line Code) 인코더, STLC 디코딩으로 제거되는 인공잡음 신호를 생성하는 인공잡음 신호 생성기, 상기 부호화 신호와 상기 인공잡음 신호에 전력을 할당하여 송신신호를 생성하고, 상기 송신신호를 상기 복수의 안테나를 통해 순차적으로 전송되도록 하는 전력 할당 처리기를 포함한다.

Description

시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템{Multiple Antenna Communication Systems using Space-Time Line Code}
본 발명은 시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 하향링크 채널을 이용해서 기지국에서 인증 단말로 보안 정보를 전송하는 경우 시공간 부호화 기법을 적용하여 물리계층 보안 전송률을 높일 수 있는 다중 안테나 통신 시스템에 관한 것이다.
기지국과 단말간에 무선으로 정보를 주고받는 경우 송신 신호가 수신기 이외의 다른 지역으로 전달되므로 비인증 단말에 의한 도청 등 보안 위협이 항상 존재한다. 특히, 최근 무선 인터넷을 지원하는 스마트 기기의 급속한 증가에 따라 모바일 뱅킹, 전자 결제, 원격 의료, 이메일을 통한 보안 문서 전송 등 고도의 보안이 요구되는 모바일 서비스 수요가 급증하고 있다. 현재는 보안 유지를 위해 상위 응용 계층에 암호화 기술을 적용한 인증, 암호화/해독 방식이 사용되고 있지만, 최근에는 다중 안테나를 이용하는 경우 무선 채널의 물리적인 특성을 이용하여 도청 방지 및 간섭 방지를 수행하는 물리계층 보안 전송 기법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 최근 표준화가 진행되고 있는 5세대 이동통신 시스템과 차세대 무선랜에서 보안 및 사생활 보호를 위한 물리계층 보안 통신 기법이 강조되고 있다.
특정 무선 통신 시스템의 물리계층 보안 수준을 측정하기 위해 기지국과 인증 단말간의 채널 용량(CB)에서 기지국과 비인증 단말간의 채널 용량(CE)를 뺀 값을 보안 전송 용량 (Secrecy Capacity; Cs = CB-CE)으로 정의한다. 기존 물리계층 보안에 대한 연구는 다양한 채널 환경과 기지국, 인증 단말, 비인증 단말에서의 채널 정보 보유 정도에 따른 이론적인 전송 용량 분석 위주로 진행되어 왔다. 예를 들면 기지국, 인증 단말, 비인증 단말에서 모든 상호 기기간의 채널 정보를 알고 모든 기기가 다중 안테나를 사용하는 경우 보안 더티 페이퍼(secrecy dirty paper) 부호화 기법을 적용하면 최적의 보안 전송률을 얻을 수 있다.
일반적인 무선 통신 시스템의 경우 기지국과 인증 단말간에는 하향링크 및 상향링크를 통해 신호 전송이 지속적으로 이루어지므로 기지국과 단말간의 하향링크 및 상향링크 채널 정보는 쉽게 추정할 수 있다. 반면에 도청을 목적으로 하는 비인증 단말의 경우 자신의 존재 여부를 주변 기지국과 인증 단말에 숨기기 위해 통상적으로 주변 기기의 신호를 수신하여 정보를 취득하는 동작만을 수행하고 신호를 송신하지는 않는다. 따라서 기지국과 인증 단말에서 기지국과 비인증 단말, 혹은 인증 단말과 비인증 단말간의 채널 정보를 추정하기가 매우 어렵다. 따라서 보안 전송률에 대한 기존 연구 중 비인증 단말에 대한 채널 정보를 안다는 가정하에 수행된 결과는 실제 통신시스템에 적용할 수 없다.
따라서, 기지국과 인증 단말에서 비인증 단말에 대한 채널 정보를 모르는 상태에서 보안 전송 용량을 증대시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
이에 관련하여, 발명의 명칭이 " ＵＷ(ｕｎｉｑｕｅ－ｗｏｒｄ)를 사용하는 시공간 블록 부호화 기반의 송수신 장치 및 방법"인 한국등록특허 제10-1275851호가 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 하향링크 채널을 이용해서 기지국에서 인증 단말로 보안 정보를 전송하는 경우 시공간 부호화 기법을 적용하여 물리계층 보안 전송률을 높일 수 있는 시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 송신장치는, 무선 신호를 송수신하는 복수의 안테나, 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 처리하여 서로 다른 시간에 송신하기 위한 복수의 부호화 신호를 출력하는 STLC(Space-Time Line Code) 인코더, STLC 디코딩으로 제거되는 인공잡음 신호를 생성하는 인공잡음 신호 생성기, 상기 부호화 신호와 상기 인공잡음 신호에 전력을 할당하여 송신신호를 생성하고, 상기 송신신호를 상기 복수의 안테나를 통해 순차적으로 전송되도록 하는 전력 할당 처리기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 STLC 인코더는, 입력 데이터를 소정의 변조 방식으로 변조하여 송신 심볼을 출력하는 변조부, 상기 송신 심볼을 시공간 블록 코딩 방식으로 부호화하는 시공간 부호화부, 상기 부호화된 신호에 채널 정보를 적용하여 부호화 신호를 생성하는 채널 연산부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 부호화 신호는 아래 수학식의 신호일 수 있다.
[수학식 ]
Figure pat00001
여기서, S는 부호화된 신호로
Figure pat00002
이고, H는 채널정보를 포함한 행렬, H H 는 행렬 H의 conjugate transpose를 나타냄.
바람직하게는, 상기 인공잡음 신호 생성기는, 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상, 상기 복수의 안테나의 개수의 1/2 이하의 개수에 해당하는 안테나를 선택하는 안테나 선택부, 상기 선택된 안테나들을 적어도 둘 이상의 안테나가 포함되도록 그룹핑하여 적어도 하나 이상의 그룹을 생성하는 그룹핑부, 상기 생성된 각 그룹별로 채널정보와 복소 잡음을 이용하여 인공잡음을 각각 생성하는 인공잡음 생성부, 상기 그룹별 인공잡음을 조합하여 인공잡음 신호를 생성하는 인공잡음 신호 생성부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 인공잡음 신호는 STLC 디코딩으로 제거되도록 아래 수학식의 조건을 만족해야 한다.
[수학식]
Figure pat00003
여기서, a t ,m 은 인공잡음 신호 행렬(A)의 (t,m)번째 원소, h n , m 은 H의 (n,m)번째 원소이고, m번째 송신안테나와 인증 장치의 n번째 수신안테나 사이의 채널 이득임.
바람직하게는, 상기 인공잡음 신호는 아래 수학식의 신호일 수 있다.
[수학식]
Figure pat00004
여기서, h m 은 주 채널 H의 m번째 열벡터,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
은 벡터 h m 의 norm, z n 은 랜덤하게 생성된 복소 잡음(Complex Noise)을 의미함.
바람직하게는, 상기 전력 할당 처리기는, 인증된 수신장치와 비인증된 수신장치의 전송률 차이인 보안 전송률이 최대가 되는 전력 할당 비율을 그리드 서치(grid search)를 이용하여 찾고, 전체 송신 전력 중 상기 부호화 신호에 상기 전력 할당 비율에 해당하는 전력을 할당하며, 나머지 전력을 인공잡음 신호에 할당하고, 상기 전력이 할당된 송신신호와 인공잡음 신호를 결합하여 송신신호를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 송신신호는 아래 수학식의 신호일 수 있다.
[수학식]
Figure pat00007
여기서, X는 송신장치가 송신하는 신호 행렬이고, S는 부호화 신호, p는 전력 할당 비율, A는 인공잡음신호,
Figure pat00008
임.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신장치는, 복수의 안테나, 상기 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환하는 벡터 변환부, blind SNR(Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용하여 상기 수신된 신호에 포함된 채널 이득(
Figure pat00009
)을 간접적으로 추정하는 채널 이득 추정부, 상기 변환된 벡터에 상기 추정된 채널 이득을 적용하여 송신 심볼을 추정하는 스케일링부를 포함한다.
바람직하게는, 채널에 대한 CSI 없이 송신 심볼을 복조하기 위해, 상기 벡터 변환부에서 벡터로 변환된 신호를 변형하는 벡터 조작부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템은, 복수의 안테나가 구비되며, 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 부호화하고, 상기 부호화된 신호에 채널 정보를 적용하여 부호화 신호를 생성하며, 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상의 안테나를 선택하여 인공잡음 신호를 생성하고, 상기 부호화 신호와 상기 인공잡음 신호를 결합하여 상기 복수의 안테나를 통해 송신하는 송신장치, 구비된 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환하고, 비동기식 검출 기법을 이용하여 상기 벡터로 변환된 신호에서 송신 심볼을 복조하는 수신장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 수신장치는, blind SNR(Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용하여 상기 수신된 신호에 포함된 채널 이득을 간접적으로 추정하고, 상기 변환된 벡터에 상기 추정된 채널 이득을 적용하여 송신 심볼을 추정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기지국에서는 주 채널 정보(H)를 알고 있고, 인증 단말과 비인증 단말에서는 H를 모르는 경우 STLC 부호화 기법과 인공잡음 전송 기법을 결합하여 신호를 송신함으로써, 인증 단말의 데이터 전송률을 극대화하면서 비인증 단말의 전송률을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 최근 표준화가 진행중인 5세대 이동통신과 차세대 무선랜의 경우 물리계층 보안이 매우 중요하게 고려되고 있는데, 이런 차세대 무선 통신시스템의 물리계층 보안을 강화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송수신 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하향링크 채널을 이용하여 보안 정보를 송신하는 송신장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 STLC 인코더를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 인공잡음 신호 생성기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 신호를 복조하는 수신장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송수신 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템은 복수개의 안테나를 가지는 송신장치(100), 복수개의 안테나를 가지는 수신장치(200)를 포함한다.
송신장치(100)는 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식(STLC)으로 부호화하고, 부호화된 신호에 채널 정보(H)를 적용하여 송신 신호를 생성하며, 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상의 안테나를 선택하여 인공잡음 신호를 생성하고, 송신 신호와 인공잡음 신호에 결합하여 복수의 안테나를 통해 송신한다. STLC는 채널정보없이 수신장치에서 비동기 검출을 가능하게하고 완전한 공간 다이버시티를 달성한다. 인공잡음은 수신장치에서 STLC 디코딩 후에 제거될 수 있다. 즉, 인공잡음은 인증단말에 대해 투명하지만, 비인증 단말의 수신신호를 간섭으로서 유지한다.
이러한 송신장치(100)는 예컨대, 기지국일 수 있다.
수신장치(200)는 구비된 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환하고, 벡터로 변환된 신호를 비동기식 검출 기법을 이용하여 송신 심볼을 복조한다. 이러한 수신장치(200)는 NB개의 안테나를 가진 인증 단말(210), NE개의 안테나를 가진 비인증 단말(220)을 포함한다. 송신장치(100)와 인증단말(210)간은 인증단말 채널(H)를 통해 신호를 송수신하고, 송신장치(100)와 비인증 단말(220)은 비인증단말 채널(G)를 통해 신호를 수신/도청한다.
한편, 본 발명은 하향링크로 신호를 전송하는 다중 안테나 통신 시스템에 관한 것으로, 이하에서는 H는 NB×M 하향링크 주 채널(Main Channel)을 나타내는 행렬, G는 NE×M 하향링크 도청 채널(Eavesdropper Channel)을 나타내는 행렬로 한정하여 설명하기로 한다. 따라서, 인증 단말(210)은 하향링크 주채널을 통해 기지국(100)으로부터 신호를 수신하고, 비인증 단말(220)은 하향링크 도청 채널을 통해 기지국(100)으로부터 신호를 수신한다.
기지국 전송 범위내에는 다수의 인증 단말(210)과 다수의 비인증 단말(220)이 공존하나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 인증 단말(210)과 비인증 단말(220)이 각 1대씩 존재한다고 가정하여 설명하기로 한다. 또한, 본 발명에서는 하향링크 전송시 보안 강화를 위해 기지국(100)에서만 주 채널 H를 알고 있고, 인증 단말(210)에서는 채널 정보 H를 모르는 것으로 가정한다. 또한, 비인증 단말(220)에서는 신호를 송신하지 않으므로 도청 채널 G는 기지국(100)과 인증 단말(210) 모두 모르는 것으로 가정한다. 인증 단말(210)에서는 주 채널 H를 추정할 필요가 없으므로 기지국(100)에서는 하향링크로 채널 추정을 위한 파일럿 혹은 훈련 심볼을 전송하지 않고, 인증 단말(210)에서는 H에 대한 정보가 없으므로 비동기식 검출(Noncoherent Detection) 기법을 사용하여 송신 신호를 복조한다. 그리고 기지국(100)이 채널 추정을 위한 파일럿 혹은 훈련 심볼을 전송하지 않으므로 비인증 단말(220)에서도 자신의 채널 정보 G를 추정할 수 없고, 기지국에서 수신된 신호에서 보안 정보를 복조하기 위해 비동기식 검출 방식을 사용해야 한다.
본 발명은 채널 정보 H를 사용하는 새로운 시공간 부호화 기법을 사용하여, 비동기식 검출 기법을 사용하는 인증 단말(210)의 데이터 전송률을 최대로 하고, 비동기식 검출 기법을 사용하는 비인증 단말(220)에서는 복조가 거의 불가능하여 전송률이 매우 낮아지도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하향링크 채널을 이용하여 보안 정보를 송신하는 송신장치를 설명하기 위한 도면, 도 3은 도 2에 도시된 STLC 인코더를 설명하기 위한 블록도, 도 4는 도 2에 도시된 인공잡음 신호 생성기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하향링크 채널을 이용하여 보안 정보를 송신하는 송신장치(100)는 복수의 안테나(미도시), STLC 인코더(110), 인공잡음 신호 생성기(120), 전력 할당 처리기(130)를 포함한다.
STLC 인코더(110)는 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 부호화하여 부호화 신호를 생성한다. 즉, STLC 인코더(110)는 채널 정보 H를 사용하는 시공간 부호화 기법인 STLC(Space-Time Line Code)를 이용하여 송신 심볼을 부호화한다.
STLC 전송 방식은 인증 단말의 안테나 수가 3이상인 경우도 가능하나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 인증 단말의 안테나 수를 2(NB=2)로 가정하여 설명하기로 한다.
STLC 인코더(110)는 인증단말의 안테나 수가 2이고, 안테나에서 신호 전송 간격이 T인 경우, 심볼을 두 개씩 분할해서 2T의 시간 동안 순차적으로 전송한다. 즉, STLC가 사용될 때, 전송 심볼은 2개의 연속적인 시간 간격 동안 부호화된다.
이러한 STLC 인코더(110)는 변조부(112, Modulation), 시공간 부호화부(114, Space-Time Block Coding), 채널 연산부(116, Multiplication with Channel)를 포함한다.
변조부(112)는 입력 데이터를 소정의 변조 방식으로 변조하여 송신 심볼을 출력한다. 있다. 이때, 부호화 데이터에 대한 변조 방식으로는 예컨대, BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation), PAM(Pulse Amplitude Modulation), PSK(PhaseShift Keying) 등과 같은 다양한 변조 방식들 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
시공간 부호화부(114)는 변조부(112)에서 변조된 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 부호화한다. 즉, 시공간 부호화부(114)가 변조된 2개의 송신 심볼 s1과 s2에 STLC를 적용하여 시공간 부호화를 수행하면, 아래 표 1과 같은 심볼을 출력한다.
Figure pat00010
구체적으로 시공간 부호화부(114)는 2개의 송신 데이터(s1, s2)를 각각 t 시점과 t+T 시점에서 시공간 라인 코드 방식으로 인코딩한다. 그러면, 2개의 데이터 신호(s1, s2)는 t 시점에서는 신호 성분(s1, s2)으로 생성된다. 그리고 2개의 데이터 신호(s1, s2)는 t+T 시점에서는 신호 성분(-s2*, s1*)으로 인코딩될 수 있다.
따라서, 시공간 부호화부(114)는
Figure pat00011
를 생성한다.
채널 연산부(116)는 시공간 부호화부(114)에서 부호화된 신호에 채널 정보를 적용하여 부호화 신호를 생성한다. 즉, 채널 연산부(116)는 시공간 부호화부(114)에서 부호화된 신호(S)에 채널정보(H H )를 곱하여 수학식 1과 같은 부호화 신호를 생성한다. 이때, 부호화 신호는 행렬형태의 신호일 수 있고, 채널정보 H에 따라 부호화된 행렬 X의 값이 변경된다.
즉, 채널 연산부(116)는 M개의 기지국 안테나를 통해 송신되는 M*2 부호화 행렬 X 를 생성한다. 부호화 행렬 X는 아래 기재된 수학식 1와 같다.
Figure pat00012
여기서, S는 부호화된 신호로
Figure pat00013
이고, Alamouti 부호 기반 시공간 블록 부호화 행렬을 나타내며,
Figure pat00014
는
Figure pat00015
-의 complex conjugation이다. H는 채널정보를 포함한 행렬, H H 는 행렬 H의 conjugate transpose를 나타낸다. 종래 시공간 부호화 기법에서는 행렬 S를 송신 안테나를 통해 전송하므로 송신장치에서 채널정보 H를 사용하지 않는다. 반면에 수학식 1로 표현된 STLC 부호화 기법에서는 H H 이 곱해지므로, 채널 정보 H에 따라 부호화된 행렬 X의 값이 변경된다. 이때 행렬 X의 (m,t)번째 원소 x m ,t 는 시간 t에서 m번째 송신안테나를 통해 전송되는 부호화 심볼을 나타낸다.
구체적으로, t시점의 신호 성분(s1, s2)은 이어서 채널 연산부(116)에서 송신 안테나들(TxAnt.0 ~ TxAnt.N-1) 각각으로 할당되기 위한 성분으로 나누어진다. 즉, 신호 성분(s1, s2)은 송신 안테나들(TxAnt.0 ~ TxAnt.N-1) 각각에 대응하는 성분으로 나누어지고, 신호 성분(s1, s2)은 채널정보의 복소공액(Complex Conjugate) 성분들과 곱해진다. 추정된 채널 응답의 복소 공액값과 곱해진 신호 성분(s1, s2)은 다시 각각의 송신 안테나별로 결합된다.
안테나별로 결합된 신호 성분들은 정규화 연산을 통해서 송신 전력을 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 과정에서 t 시점에 각각의 송신 안테나들을 통해서 송신되는 신호들은 수학식 1과 같다. 즉, 시점 t에서 송신 안테나들(TxAnt.0~TxAnt.N-1)로 송신 신호들(ν0, ν1, …, νN-1)가 제공된다.
인공 잡음 생성기(120)는 인증 단말에서는 완전히 제거되고, 비인증 단말에서는 잡음 신호로 작용하는 인공잡음 신호를 생성한다.
기지국에서 부호화 신호와 인공잡음신호가 결합된 신호를 전송하는 경우 인증 단말에서는 STLC 부호화된 신호 성분과 인공잡음 신호 성분을 동시에 수신하게 된다. 이때 인증 단말의 데이터 전송률이 인공잡음의 영향을 받지 않도록 하기 위해서는 채널을 통과한 인공잡음 신호가 인증 단말을 통과했을 때 완전히 제거되어야 한다. 인증 단말에서 인공잡음이 완전히 제거되기 위한 조건을 수식으로 아래 기재된 수학식 2와 같다.
Figure pat00016
여기서, a t ,m 은 인공잡음 신호 행렬(A)의 (t,m)번째 원소, h n , m 은 H의 (n,m)번째 원소이고, m번째 송신안테나와 인증단말의 n번째 수신안테나 사이의 채널 이득을 나타낸다.
인공잡음 생성기(120)는 수학식 2의 조건을 이용해서 여러가지 방법으로 인공잡음 신호를 설계할 수 있다.
구체적으로, 인공 잡음 생성기(120)는 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상의 안테나를 선택하여 적어도 둘 이상의 안테나가 포함되도록 그룹핑하고, 각 그룹별로 안테나수를 고려하여 인공잡음 신호를 생성할 수 있다. 이러한 인공잡음 생성기(120)의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 안테나 선택부(122, Antenna Selection), 그룹핑부(124, Grouping), 인공잡음 생성부(126, AN Generation), 인공잡음 신호 생성부(128)를 포함한다.
안테나 선택부(122)는 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상, 복수의 안테나의 개수 반 이하의 개수에 해당하는 안테나를 선택한다. 예컨대, 안테나 선택부(122)는 M개의 안테나에서 임의로 2L개의 안테나를 선택할 수 있고, L은 1 이상 M/2 이하인 자연수 중에서 임의로 선택할 수 있다.
전체 M개의 기지국 송신안테나 중에서 인공잡음 신호를 전송할 2L개의 안테나를 임의로 선택한다. 이때 선택되지 않은 (M-2L)개의 안테나는 인공잡음 신호를 송신하지 않으므로 a 1 , m = a 2 , m = 0으로 설정하고, 선택된 2L개의 안테나에서 송신한 잡음 신호가 인증 단말에서 제거되도록 한다. 설명의 편의를 위해 M개의 안테나 중에서 1, 2,.., 2L번째 안테나에서 인공잡음을 전송하고, (2L+1), (2L+2),..., M번째 안테나에서는 인공잡음을 전송하지 않는 것으로 가정한다. 이때 인공잡음 신호를 아래 기재된 수학식 3과 같이 정의하면 항상 수학식 2를 만족한다.
Figure pat00017
여기서, h m 은 주 채널 H의 m번째 열벡터,
Figure pat00018
은 벡터 h m 의 norm을 나타내고,
Figure pat00019
으로 정의되며, z n 은 랜덤하게 생성된 복소 잡음(Complex Noise)으로 2*1 벡터일 수 있다. 한편, 수학식 3으로 정의된 인공잡음 생성 방법은 다양한 방법으로 변형될 수 있다.
그룹핑부(124)는 안테나 선택부(122)에서 선택된 안테나들을 적어도 둘 이상의 안테나가 포함되도록 그룹핑하여 적어도 하나 이상의 그룹을 생성한다.
예컨대, 그룹핑부(124)는 안테나를 (1,2), (3,4),.., (L-1,2L) 형태로 두개씩 총 L개의 그룹으로 나누어서 인공잡음이 생성되도록 할 수 있다. 총 2L개의 안테나를 2개씩 분할하는 방법을 임의로 변경한 후 수학식 3의 방법으로 인공잡음을 생성할 수 있다. 예를 들어 안테나를 (1,2L), (2,2L-1), ..., (L,L+1) 형태로 분할해서 인공잡음을 생성할 수 있다.
인공잡음 생성부(126)는 그룹핑부(124)에서 생성된 각 그룹별로 채널정보와 복소 잡음을 이용하여 인공잡음을 각각 생성한다.
그룹핑부(124)에서 선택된 안테나를 2개씩 묶어서 그룹을 만든 경우, 인공잡음 생성부(126)는 각 그룹별로 인공잡음을 생성한다. 이때 하나의 그룹에 포함된 안테나 수를 2 이상의 값으로 임의로 변경할 수 있다. 예를 들면 선택된 안테나를 3개씩 묶어서 그룹을 만든 후 수학식 3과 유사한 방법으로 인공잡음을 생성할 수 있다. 혹은 전체 안테나를 일부는 2개씩, 일부는 3개씩, 나머지는 4개씩 묶어서 그룹을 만들고, 각 그룹별로 안테나수를 고려해서 인공잡음을 생성할 수도 있다.
인공잡음신호 생성부(128)는 그룹별 인공잡음을 조합하여 인공잡음 신호를 생성한다. 이때 생성된 인공잡음 신호는 수학식 3과 같을 수 있다.
상기에서는 인공잡음을 생성하기 위한 구체적인 예를 설명한 것으로, 기본적으로 수학식 2를 만족하도록 인공잡음을 생성하는 방식은 본 발명의 범위에 모두 포함된다.
전력 할당 처리기(130)는 STLC 인코더(110)에서 생성된 부호화 신호와 인공잡음 신호 생성기(120)에서 생성된 인공잡음 신호에 전력을 할당하여 송신 신호를 생성한다. 이때, 전력 할당 처리기(130)는 인증 단말과 비인증 단말의 전송률 차이인 보안 전송률이 최대가 되는 전력 할당 비율을 그리드 서치(grid search)를 이용하여 찾고, 전체 송신 전력 중 상기 부호화 신호에 상기 전력 할당 비율에 해당하는 전력을 할당하며, 나머지 전력을 인공잡음 신호에 할당하고, 상기 전력이 할당된 송신신호와 인공잡음 신호를 결합하여 결합 신호를 생성한다.
그러면, 아래 기재된 수학식 4와 같은 송신 신호가 생성된다.
Figure pat00020
여기서, X는 송신장치가 송신하는 신호 행렬이고, S는 부호화된 정보 심볼, p는 전체 송신 전력 중 보안 정보 전송에 할당된 전력의 비율을 나타내고, 2×M 행렬 A는 2T 시간 동안 M개의 기지국 안테나로 전송되는 인공잡음 신호를 의미한다.
Figure pat00021
는 최대 송신 전력 제약을 만족하도록 송신 전력을 조절하는 정규화 파라미터이다(
Figure pat00022
는 행렬 A의 Frobenius norm을 나타냄).
STLC 부호화 신호와 인공잡음 신호에 전력을 할당할 때는 인증 단말과 비인증 단말의 전송률 차이로 정의되는 보안 전송률이 최대가 되도록 해야한다. 인증 단말의 경우 주 채널 H와 안테나 수 NB를 알고 있으므로 전력 할당 비율 p에 따른 전송률을 쉽게 계산할 수 있다. 비인증 단말의 경우 전송률을 정확히 알 수 없으므로 도청 채널 G와 비인증 단말의 안테나수 NE의 예상치를 정하고, 이를 이용하여 예상 전송률을 계산한다. 일반적으로 전력 할당 비율이 p일 때, 보안 전송률은 아래 기재된 수학식 5과 같다.
Figure pat00023
여기서, 0≤p<1 이므로, 최적의 전력 할당 비율은 grid search를 이용해서 찾을 수 있다. 즉, p값을 0에서 1 사이의 범위에서 일정 간격으로 변화시키면서 C s (p) 값을 계산하고, C s (p) 값이 최대가 되는 p를 선택하면 된다.
전력 할당 처리기(130)는 최적의 전력을 할당한 후, 수학식 4와 같이 생성된 송신 신호를 송신 안테나에 할당한다.
안테나별로 결합된 신호 성분들은 정규화 연산을 통해서 송신 전력을 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 과정에서 t 시점에 각각의 송신 안테나들을 통해서 송신되는 신호들은 수학식 4과 같다. 즉, 시점 t에서 송신 안테나들로 송신 신호들이 제공된다. 여기서, 정규화 연산에 사용되는 정규화 파라미터는
Figure pat00024
일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 신호를 복조하는 수신장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 신호를 복조하는 수신장치(200)는 복수의 안테나(미도시), 벡터 변환부(210), 벡터 조작부(220), 채널 이득 추정부(230), 스케일링부(240)를 포함한다.
벡터 변환부(210)는 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환한다.
2T의 시간동안 수신장치의 2개 안테나로 수신된 신호는 아래 기재된 수학식 6과 같다.
Figure pat00025
여기서, 2*2 행렬 R B의 (n,t)번째 원소 r B , n , t 는 시간 t에서 n번째 안테나로 수신된 신호를 나타내고, W B는 2*2 잡음 행렬을 의미하며 (n,t)번째 원소는 w B , n , t 로 나타낸다.
벡터 변환부(210)의 Vectorization 과정을 거치게 되면, 행렬 R B를 벡터 형태로 표현하여 아래 기재된 수학식 7과 같다.
Figure pat00026
여기서, h n , m 은 H의 (n,m)번째 원소이고, m번째 기지국 송신안테나와 n번째 인증 단말 수신안테나 사이의 채널 이득을 의미한다.
벡터 조작부(220)는 채널에 대한 CSI 없이 송신 심볼을 복조하기 위해, 벡터로 변환된 신호를 변형한다.
즉, 벡터 조작부(220)는 수학식 7과 같이 표현된 수신 신호를 이용하여 전송 심볼 s 1과 s 2를 복조하기 위해, vector manipulation 과정을 통해 수신 신호를 아래 기재된 수학식 8과 같이 변형한다.
Figure pat00027
채널 이득 추정부(230)는 blind SNR(Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용하여 수신된 신호에 포함된 채널 이득(
Figure pat00028
)을 간접적으로 추정한다.
스케일링부(240)는 벡터 조작부(220)에서 변형된 벡터에 채널 이득 추정부(230)에서 추정된 채널 이득을 적용하여 송신 심볼을 추정한다. 즉, 스케일링부(240)는 아래 기재된 수학식 9와 같이 송신 심볼인 s 1과 s 2를 추정한다.
Figure pat00029
여기서, 채널 이득(
Figure pat00030
)은 채널 행렬 H를 직접 추정하지 않고, blind SNR (Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용해서 간접적으로 추정할 수 있다.
따라서 기지국에서 STLC 부호화 기법을 이용해서 보안 정보를 전송하는 경우 인증 단말에서는 채널 정보 H를 사용하지 않고, 수학식 9를 이용하여 r B ,c를 단순히 scaling하는 방법으로 송신 정보를 복조할 수 있다.
한편, 기지국에서 STLC 부호화 기법을 적용해서 송신하는 경우 비인증 단말의 수신 신호는 아래 기재된 수학식 10과 같다.
Figure pat00031
비인증 단말의 경우 자신의 채널 G와 주 채널 H에 대한 정보를 모두 알수 없으므로, R E로부터 전송 심볼 s 1과 s 2를 복원하는 것이 매우 힘들다. 하지만 시공간 부호화 행렬 S의 구조를 알고 있으므로, 채널의 시간적 변화가 매우 느린 경우에는 정보 이론 관점에서 전송 심볼 중 일부분을 복원할 가능성이 있다. 즉, 비인증 단말의 전송률이 인증 단말의 전송률에 비해서는 매우 낮지만 0보다 큰 값이 될 수 있다. 이런 위험을 고려해서 비인증 단말의 전송률을 더욱 낮추기 위해 STLC 부호화 기법과 인공잡음 전송 기법을 결합한 전송 방식을 이용하게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
100 : 송신장치
110 : STLC 인코더
112 : 변조부
114 : 시공간 부호화부
116 : 채널 연산부
120 : 인공잡음 신호 생성기
122 : 안테나 선택부
124 : 그룹핑부
126 : 인공잡음 생성부
128 : 인공잡음 신호 생성부
130 : 전력 할당 처리기
200 : 수신장치
210 : 벡터 변환부
220 : 벡터 조작부
230 : 채널 이득 추정부
240 : 스케일링부

Claims (13)

  1. 무선 신호를 송수신하는 복수의 안테나;
    송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 처리하여 서로 다른 시간에 송신하기 위한 복수의 부호화 신호를 출력하는 STLC(Space-Time Line Code) 인코더;
    STLC 디코딩으로 제거되는 인공잡음 신호를 생성하는 인공잡음 신호 생성기; 및
    상기 부호화 신호와 상기 인공잡음 신호에 전력을 할당하여 송신신호를 생성하고, 상기 송신신호를 상기 복수의 안테나를 통해 순차적으로 전송되도록 하는 전력 할당 처리기를 포함하는,
    송신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 STLC 인코더는,
    입력 데이터를 소정의 변조 방식으로 변조하여 송신 심볼을 출력하는 변조부;
    상기 송신 심볼을 시공간 블록 코딩 방식으로 부호화하는 시공간 부호화부;
    상기 부호화된 신호에 채널 정보를 적용하여 부호화 신호를 생성하는 채널 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부호화 신호는 아래 수학식의 신호인 것을 특징으로 하는 송신장치
    [수학식]
    Figure pat00032

    여기서, S는 부호화된 신호로
    Figure pat00033
    이고, H는 채널정보를 포함한 행렬, H H 는 행렬 H의 conjugate transpose를 나타냄.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인공잡음 신호 생성기는,
    상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상, 상기 복수의 안테나의 개수의 1/2 이하의 개수에 해당하는 안테나를 선택하는 안테나 선택부;
    상기 선택된 안테나들을 적어도 둘 이상의 안테나가 포함되도록 그룹핑하여 적어도 하나 이상의 그룹을 생성하는 그룹핑부;
    상기 생성된 각 그룹별로 채널정보와 복소 잡음을 이용하여 인공잡음을 각각 생성하는 인공잡음 생성부;
    상기 그룹별 인공잡음을 조합하여 인공잡음 신호를 생성하는 인공잡음 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인공잡음 신호는 STLC 디코딩으로 제거되도록 아래 수학식의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 송신장치
    [수학식]
    Figure pat00034

    여기서, a t ,m 은 인공잡음 신호 행렬(A)의 (t,m)번째 원소, h n , m 은 H의 (n,m)번째 원소이고, m번째 송신안테나와 인증 장치의 n번째 수신안테나 사이의 채널 이득임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인공잡음 신호는 아래 수학식의 신호인 것을 특징으로 하는 송신장치
    [수학식]
    Figure pat00035

    여기서, h m 은 주 채널 H의 m번째 열벡터,
    Figure pat00036
    ,
    Figure pat00037
    은 벡터 h m 의 norm, z n 은 랜덤하게 생성된 복소 잡음(Complex Noise)을 의미함.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 할당 처리기는,
    인증된 수신장치와 비인증된 수신장치의 전송률 차이인 보안 전송률이 최대가 되는 전력 할당 비율을 그리드 서치(grid search)를 이용하여 찾고, 전체 송신 전력 중 상기 부호화 신호에 상기 전력 할당 비율에 해당하는 전력을 할당하며, 나머지 전력을 인공잡음 신호에 할당하고, 상기 전력이 할당된 송신신호와 인공잡음 신호를 결합하여 송신신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신신호는 아래 수학식의 신호인 것을 특징으로 하는 송신장치
    [수학식]
    Figure pat00038

    여기서, X는 송신장치가 송신하는 신호 행렬이고, S는 부호화 신호, p는 전력 할당 비율, A는 인공잡음신호,
    Figure pat00039
    임.
  9. 복수의 안테나;
    상기 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환하는 벡터 변환부;
    상기 수신된 신호에 포함된 채널 이득을 간접적으로 추정하는 채널 이득 추정부;
    상기 변환된 벡터에 상기 추정된 채널 이득을 적용하여 송신 심볼을 추정하는 스케일링부를 포함하는,
    수신장치.
  10. 제9항에 있어서,
    채널에 대한 CSI 없이 송신 심볼을 복조하기 위해, 상기 벡터 변환부에서 벡터로 변환된 신호를 변형하는 벡터 조작부를 더 포함하는 수신장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 채널 이득 추정부는,
    blind SNR(Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용하여 채널 이득을 간접적으로 추정하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  12. 복수의 안테나가 구비되며, 송신 심볼을 시공간 선형 코딩 방식으로 부호화하고, 상기 부호화된 신호에 채널 정보를 적용하여 부호화 신호를 생성하며, 상기 복수의 안테나 중에서 적어도 하나 이상의 안테나를 선택하여 인공잡음 신호를 생성하고, 상기 부호화 신호와 상기 인공잡음 신호를 결합하여 상기 복수의 안테나를 통해 송신하는 송신장치; 및
    구비된 복수의 안테나를 통해 수신된 신호를 벡터로 변환하고, 비동기식 검출 기법을 이용하여 상기 벡터로 변환된 신호에서 송신 심볼을 복조하는 수신장치를 포함하는,
    시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수신장치는, blind SNR(Signal-to-Noise Ratio) 추정 기법을 이용하여 상기 수신된 신호에 포함된 채널 이득을 간접적으로 추정하고, 상기 변환된 벡터에 상기 추정된 채널 이득을 적용하여 송신 심볼을 추정하는 것을 특징으로 하는 시공간 부호화를 이용한 다중 안테나 통신 시스템.


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