KR20200031546A - Method and apparatus of beamforming for physical layer security - Google Patents

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KR20200031546A
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장갑석
김근영
김용선
김일규
박순기
정희상
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한국전자통신연구원
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a beamforming method of a first communication node for physical layer security comprises the steps of: generating a plurality of beam pattern vectors with a second communication node; generating a combined beam pattern vector for removing side beams based on the beam pattern vectors; generating a precoding vector based on a channel matrix with the second communication node; generating a transmission signal vector based on the combined beam pattern vector and the precoding vector; and transmitting a signal to the second communication node based on the transmission signal vector.

Description

물리 계층 보안을 위한 빔포밍 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF BEAMFORMING FOR PHYSICAL LAYER SECURITY}Beamforming method and apparatus for physical layer security {METHOD AND APPARATUS OF BEAMFORMING FOR PHYSICAL LAYER SECURITY}

본 발명은 물리 계층에서의 보안성을 확보하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빔포밍(beamforming)을 통하여 적법한 송신 노드와 수신 노드간의 무선 신호의 보안성을 확보하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for securing security in a physical layer, and more particularly, a method and apparatus for securing the security of a wireless signal between a legitimate transmitting node and a receiving node through beamforming. It is about.

현재까지의 무선 통신 표준 시스템은 보안 기법들을 정의할 수 있으며, 암호학(cryptography) 기반의 암호화 기법 및 해독 기법을 정의할 수 있다. 통신 노드들은 시스템에 정의된 암호화 기법에 따라 데이터 스트림을 암호화하여 송신할 수 있으며 또는 시스템에 정의된 해독 기법에 따라 데이터 스트림을 수신하여 해독할 수 있다. 하지만, 기존의 암호화 기법 및 해독 기법들은 적법한 사용자들이 도청 노드에 의한 키 획득의 수학적 불가능성이 아니라 계산적 어려움에 의지하고 있다는 문제점이 있다. 다시 말해, 도청 노드의 연산 능력이 증가할수록 기존의 암호화 기법의 효과는 감소할 수 있다. 따라서, 암호화 기법은 연산의 복잡도에 의존하기 보다는 절대적인 보안성을 제공하는 것이 바람직하다. To date, the wireless communication standard system can define security techniques and can define cryptography-based encryption and decryption techniques. The communication nodes may encrypt and transmit the data stream according to an encryption technique defined in the system, or receive and decrypt the data stream according to the decryption technique defined in the system. However, the existing encryption and decryption techniques have a problem that legitimate users rely on computational difficulties, not mathematical impossibility of obtaining keys by eavesdropping nodes. In other words, as the computational power of the eavesdropping node increases, the effect of the existing encryption technique may decrease. Therefore, it is desirable that the encryption technique provides absolute security rather than relying on the complexity of the operation.

절대적인 보안성에 대한 요구 사항을 만족하기 위하여, 다음과 같은 별도의 키 교환이 불필요한 신호 처리 기법이 발명되었다. 종래 기술의 일 실시예에 따른 신호 처리 기법은 유효 통신 대상자 간 무선 채널 상태 정보를 이용하는 기법일 수 있다. 무선 신호를 적법하게 송수신하는 통신 노드들은 동일한 무선 채널 상태 정보를 이용하므로 송신 노드가 무선 채널 상태 정보를 기초로 데이터를 프리코딩(precoding)하여 무선 신호를 수신 노드에 전송할 수 있으며, 수신 노드는 동일한 무선 채널 상태 정보를 기초로 데이터를 복조할 수 있다. 그에 반해 도청 노드들은는 별도의 무선 채널 상태 정보를 가지므로 데이터를 복조하지 못할 수 있다. In order to satisfy the requirements for absolute security, a signal processing technique in which the following separate key exchange is unnecessary is invented. The signal processing technique according to an embodiment of the prior art may be a technique using radio channel state information between valid communication targets. Communication nodes that transmit and receive wireless signals legally use the same radio channel status information, so that the transmitting node can precode data based on the radio channel status information to transmit the radio signal to the receiving node. Data can be demodulated based on radio channel state information. On the other hand, eavesdropping nodes may not be able to demodulate data because they have separate radio channel state information.

종래 기술의 또 다른 실시예에 따른 신호 처리 기법은 재밍 신호(또는 의사 잡음 신호)를 추가적으로 송신하는 기법일 수 있다. 예를 들어, 송신 노드는 수신 노드의 무선 채널 상태 정보의 영 공간(zero space) 방향으로, 재밍(jamming) 또는 의사 잡음(pseudo noise) 신호를 추가적으로 보내 도청을 방지한다. The signal processing technique according to another embodiment of the prior art may be a technique of additionally transmitting a jamming signal (or a pseudo noise signal). For example, the transmitting node additionally sends a jamming or pseudo noise signal in a direction of zero space of radio channel state information of the receiving node to prevent eavesdropping.

그러나, 종래 기술의 실시예에서, 도청 노드는 무선 채널 상태 정보에 대한 무작위 대입(brute force) 공격을 통해 무선 신호를 도청할 수 있다. 특히 도청 노드에 포함된 프로세서의 연산 능력 향상에 따라 무작위 대입 공격에 따른 도청 확률은 더욱 증가할 수 있다. 따라서, 적법한 통신 노드 간의 방향을 제외한 나머지 모든 공간에서의 도청을 키 교환없이 물리적으로 차단할 수 있는 기법이 필요할 수 있다.However, in an embodiment of the prior art, the eavesdropping node can eavesdrop on the wireless signal through a brute force attack on the radio channel state information. In particular, the probability of eavesdropping due to a random assignment attack may increase further as the computational power of the processor included in the eavesdropping node increases. Therefore, a technique may be needed to physically block eavesdropping in all remaining spaces without key exchange except for directions between legitimate communication nodes.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 빔포밍(beamforming)을 수행하여, 적법한 통신 노드간의 무선 신호 송수신을 지원함과 동시에 도청 노드에 의한 도청을 차단하기 위한 물리 계층 보안을 위한 빔 포밍 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving the above problems is to perform beamforming (beamforming), while supporting the wireless signal transmission and reception between legitimate communication nodes, and at the same time, beamforming method for physical layer security to block eavesdropping by the eavesdropping node and It is an object to provide a device.

본 발명의 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 제1 통신 노드의 빔 포밍(beamforming) 방법은 제2 통신 노드와의 복수개의 빔 패턴 벡터들을 생성하는 단계, 상기 빔 패턴 벡터들을 기초로 사이드 빔을 제거하기 위한 결합 빔 패턴 벡터를 생성하는 단계, 상기 제2 통신 노드와의 채널 행렬(channel matrix)을 기초로 프리코딩(precoding) 벡터를 생성하는 단계, 상기 결합 빔 패턴 벡터와 상기 프리코딩 벡터를 기초로 송신 신호 벡터를 생성하는 단계 및 상기 송신 신호 벡터에 기초하여 상기 제2 통신 노드로 신호를 전송하는 단계를 포함한다.A beamforming method of a first communication node for physical layer security according to an embodiment of the present invention includes generating a plurality of beam pattern vectors with a second communication node, and generating a side beam based on the beam pattern vectors. Generating a combined beam pattern vector for removing, generating a precoding vector based on a channel matrix with the second communication node, and generating the combined beam pattern vector and the precoding vector Generating a transmission signal vector on the basis and transmitting a signal to the second communication node based on the transmission signal vector.

본 발명의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍(beamforming) 방법은 통신 노드들 간의 별도의 키 교환 없이 무선 신호를 송수신함과 동시에 도청 노드들에 의한 도청을 물리적으로 차단할 수 있다. The beamforming method for physical layer security of the present invention can physically block eavesdropping by eavesdropping nodes at the same time as transmitting and receiving wireless signals without separate key exchange between communication nodes.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍(beamforming) 동작의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
도 4는 통신 노드에 의해 수행되는 서로 다른 빔 패턴 벡터(beam pattern vector)의 결합 동작의 일 실시예를 도시한 그래프이다.
도 5는 통신 노드에 의해 수행되는 빔 패턴 벡터의 결합 결과 생성된 빔 패턴 벡터의 일 실시에를 도시한 그래프이다.
도 6은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 동작 결과의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 동작 결과의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
1 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a communication system.
2 is a block diagram showing a first embodiment of a communication node constituting a communication system.
3 is a flowchart illustrating an embodiment of a beamforming operation for physical layer security of a communication node.
4 is a graph showing an embodiment of a combination operation of different beam pattern vectors performed by a communication node.
5 is a graph showing an embodiment of a beam pattern vector generated as a result of combining beam pattern vectors performed by a communication node.
6 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a beamforming operation result for physical layer security of a communication node.
7 is a conceptual diagram illustrating a second embodiment of a beamforming operation result for physical layer security of a communication node.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 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 포함할 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or may include a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

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.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.

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 포함할 수 있다. 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.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the overall understanding in describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a first embodiment of a communication system.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로 구성될 수 있다. 여기서, 통신 시스템(100)은 "통신 네트워크"로 지칭될 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 적어도 하나의 통신 프로토콜(protocol)을 지원할 수 있다. 예를 들어, 복수의 통신 노드들 각각은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(non-orthogonal multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(space division multiple access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.Referring to Figure 1, the communication system 100 is a plurality of communication nodes (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6). Here, the communication system 100 may be referred to as a “communication network”. Each of the plurality of communication nodes may support at least one communication protocol. For example, each of the plurality of communication nodes is a communication protocol based on code division multiple access (CDMA), a communication protocol based on wideband CDMA (WCDMA), a communication protocol based on time division multiple access (TDMA), and a frequency division multiple access) based communication protocol, OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) based communication protocol, OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) based communication protocol, SC (single carrier) -FDMA based communication protocol, NOMA (non-orthogonal multiple) access) based communication protocol, space division multiple access (SDMA) based communication protocol, and the like. Each of the plurality of communication nodes may have the following structure.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing a first embodiment of a communication node constituting a communication system.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 2, the communication node 200 may include at least one processor 210, a memory 220, and a transceiver 230 connected to a network to perform communication. In addition, the communication node 200 may further include an input interface device 240, an output interface device 250, and a storage device 260. Each component included in the communication node 200 may be connected by a bus 270 to communicate with each other.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.The processor 210 may execute a program command stored in at least one of the memory 220 and the storage device 260. The processor 210 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor in which methods according to embodiments of the present invention are performed. Each of the memory 220 and the storage device 260 may be configured as at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium. For example, the memory 220 may be configured as at least one of read only memory (ROM) and random access memory (RAM).

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(user equipment)(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 커버리지(coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.Referring back to FIG. 1, the communication system 100 includes a plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), and a plurality of terminals (user equipment). ) (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6). Each of the first base station 110-1, the second base station 110-2, and the third base station 110-3 may form a macro cell. Each of the fourth base station 120-1 and the fifth base station 120-2 may form a small cell. The fourth base station 120-1, the third terminal 130-3, and the fourth terminal 130-4 may belong to the coverage of the first base station 110-1. The second terminal 130-2, the fourth terminal 130-4, and the fifth terminal 130-5 may belong to the coverage of the second base station 110-2. The fifth base station 120-2, the fourth terminal 130-4, the fifth terminal 130-5, and the sixth terminal 130-6 may belong to the coverage of the third base station 110-3. . The first terminal 130-1 may belong to the coverage of the fourth base station 120-1. The sixth terminal 130-6 may belong to the coverage of the fifth base station 120-2.

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), 노변 장치(road side unit; RSU), RRH(radio remote head), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point), 중계 노드(relay node) 등으로 지칭될 수 있다. 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device) 등으로 지칭될 수 있다.Here, each of the plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), Node B (NodeB), advanced Node B (evolved NodeB), BTS (base transceiver station), Radio base station, radio transceiver, access point, access node, road side unit (RSU), radio remote head (RRH), transmission point (TP) , TRP (transmission and reception point), may be referred to as a relay node (relay node). Each of the plurality of terminals (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) is a terminal, an access terminal, a mobile terminal, It may be referred to as a station, a subscriber station, a mobile station, a portable subscriber station, a node, a device, or the like.

복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 셀룰러(cellular) 통신(예를 들어, 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 LTE(long term evolution), LTE-A(advanced) 등)을 지원할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있고, 또는 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀(ideal backhaul) 또는 논(non)-아이디얼 백홀을 통해 서로 연결될 수 있고, 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 서로 정보를 교환할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 코어(core) 네트워크(미도시)와 연결될 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 코어 네트워크로부터 수신한 신호를 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)에 전송할 수 있고, 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로부터 수신한 신호를 코어 네트워크에 전송할 수 있다.Multiple communication nodes (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) Each may support cellular communication (for example, long term evolution (LTE), LTE-A (advanced), etc., which are defined in a 3rd generation partnership project (3GPP) standard). Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may operate in different frequency bands or may operate in the same frequency band. Each of the plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) can be connected to each other through an ideal backhaul or a non-ideal backhaul, and the ideal backhaul Alternatively, information can be exchanged with each other through a non-ideal backhaul. Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may be connected to a core network (not shown) through an ideal backhaul or a non-ideal backhaul. Each of the plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) receives a signal received from the core network corresponding to the terminal (130-1, 130-2, 130-3, 130) -4, 130-5, 130-6), and the core network receives signals received from the corresponding terminals 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6 Can be transferred to.

복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 OFDMA 기반의 다운링크(downlink) 전송을 지원할 수 있고, SC-FDMA 기반의 업링크(uplink) 전송을 지원할 수 있다. 또한, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 MIMO(multiple input multiple output) 전송(예를 들어, SU(single user)-MIMO, MU(multi user)-MIMO, 대규모(massive) MIMO 등), CoMP(coordinated multipoint) 전송, 캐리어 애그리게이션(carrier aggregation) 전송, 비면허 대역(unlicensed band)에서 전송, 단말 간 직접(device to device, D2D) 통신(또는, ProSe(proximity services)) 등을 지원할 수 있다. 여기서, 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)과 대응하는 동작, 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)에 의해 지원되는 동작을 수행할 수 있다.Each of a plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) can support OFDMA-based downlink transmission, and SC-FDMA-based uplink (uplink) ) Can support transmission. In addition, each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 transmits multiple input multiple output (MIMO) (eg, single user (SU) -MIMO, MU (multi user) -MIMO, massive MIMO, etc., CoMP (coordinated multipoint) transmission, carrier aggregation (carrier aggregation) transmission, transmission in an unlicensed band (unlicensed band), direct between terminals (device to device, D2D ) It can support communication (or ProSe (proximity services), etc.). Here, the plurality of terminals (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) each of the base station (110-1, 110-2, 110-3, 120-1) , 120-2), and operations supported by the base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2.

예를 들어, 제2 기지국(110-2)은 SU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 SU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 또는, 제2 기지국(110-2)은 MU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 MU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 CoMP 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 CoMP 방식에 의해 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 자신의 커버리지 내에 속한 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)과 캐리어 애그리게이션 방식을 기반으로 신호를 송수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 제4 단말(130-4)과 제5 단말(130-5) 간의 D2D 통신을 코디네이션(coordination)할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각의 코디네이션에 의해 D2D 통신을 수행할 수 있다.For example, the second base station 110-2 may transmit a signal to the fourth terminal 130-4 based on the SU-MIMO method, and the fourth terminal 130-4 by the SU-MIMO method. A signal may be received from the second base station 110-2. Alternatively, the second base station 110-2 may transmit a signal to the fourth terminal 130-4 and the fifth terminal 130-5 based on the MU-MIMO method, and the fourth terminal 130-4 And each of the fifth terminal 130-5 may receive a signal from the second base station 110-2 by the MU-MIMO method. Each of the first base station 110-1, the second base station 110-2, and the third base station 110-3 may transmit a signal to the fourth terminal 130-4 based on the CoMP method. The terminal 130-4 may receive signals from the first base station 110-1, the second base station 110-2 and the third base station 110-3 by CoMP. Each of the plurality of base stations (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) belongs to their own coverage (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) and carrier aggregation schemes, and transmit and receive signals. Each of the first base station 110-1, the second base station 110-2, and the third base station 110-3 coordinates D2D communication between the fourth terminal 130-4 and the fifth terminal 130-5. It can be (coordination), each of the fourth terminal (130-4) and the fifth terminal (130-5) D2D communication by the coordination of each of the second base station (110-2) and the third base station (110-3) You can do

한편, 통신 시스템은 FDD(frequency division duplex) 방식, TDD(time division duplex) 방식 등을 지원할 수 있다. FDD 방식에 기초한 프레임은 "타입(type) 1 프레임"으로 정의될 수 있고, TDD 방식에 기초한 프레임은 "타입 2 프레임"으로 정의될 수 있다.Meanwhile, the communication system may support a frequency division duplex (FDD) scheme, a time division duplex (TDD) scheme, and the like. A frame based on the FDD scheme may be defined as a “type 1 frame”, and a frame based on the TDD scheme may be defined as a “type 2 frame”.

도 3은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 동작의 일 실시예를 도시한 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating an embodiment of a beamforming operation for physical layer security of a communication node.

도 3을 참조하면, 무선 통신 시스템은 무선 신호를 송신하는 적법한 송신 노드(이하, 송신 노드(310)라고 함), 무선 신호를 적법하게 수신하는 수신 노드(이하, 수신 노드(320)라고 함) 및 무선 신호를 수신하나, 적법한 수신 노드(320)가 아닌 통신 노드(이하, 도청 노드(330)라고 함)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the wireless communication system is a legitimate transmitting node (hereinafter referred to as a transmitting node 310) that transmits a wireless signal, and a receiving node (hereinafter referred to as a receiving node 320) legally receiving a wireless signal. And a communication node that receives a radio signal but is not a legitimate receiving node 320 (hereinafter, referred to as a wiretapping node 330).

송신 노드(310)는 무선 신호의 물리 계층 보안성을 확보하기 위하여 복수개의 빔 패턴(beam pattern)들을 생성할 수 있다(S310). 송신 노드(310)의 송신 안테나의 개수는 T일 수 있으며, 도청 노드(330)들에 의한 도청을 방지하기 선택된 빔 패턴의 개수는 B일 수 있다. 그리고 수신 노드(320)의 수신 안테나의 개수를 R이라 가정하면, 빔 패턴 인덱스

Figure pat00001
를 가지고
Figure pat00002
크기의 기저대역 빔 패턴 벡터(beam pattern vector)는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. The transmitting node 310 may generate a plurality of beam patterns in order to secure physical layer security of the wireless signal (S310). The number of transmission antennas of the transmission node 310 may be T, and the number of beam patterns selected to prevent eavesdropping by the eavesdropping nodes 330 may be B. And, assuming that the number of receiving antennas of the receiving node 320 is R, the beam pattern index
Figure pat00001
Have
Figure pat00002
The size of the baseband beam pattern vector may be expressed as Equation 1 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

수학식 1에서,

Figure pat00004
송신 노드(310)의
Figure pat00005
번째 안테나에 의해 가중되는
Figure pat00006
번째 빔 패턴의 계수를 지시할 수 있다. 송신 노드(310)는 생성한 빔 패턴 벡터를 기초로 기저대역
Figure pat00007
크기의 행렬인 빔 패턴 행렬을 생성할 수 있다(S310). 빔 패턴 행렬은 복수개의 빔 패턴 벡터들을 구성 요소로 가질 수 있으며, 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.In Equation 1,
Figure pat00004
Of the sending node 310
Figure pat00005
Weighted by the second antenna
Figure pat00006
The coefficient of the second beam pattern may be indicated. The transmitting node 310 baseband based on the generated beam pattern vector
Figure pat00007
A beam pattern matrix, which is a matrix of magnitude, may be generated (S310). The beam pattern matrix may have a plurality of beam pattern vectors as components, and may be expressed as Equation 2 below.

Figure pat00008
Figure pat00008

수학식 2를 참조하면, 빔 패턴 행렬은 복수개의 빔 패턴 벡터들을 포함하는 행렬일 수 있다. 송신 노드(310)는 수신 노드(320)로 전송할 기저대역 데이터를 생성할 수 있다. 송신 노드(310)는 기저대역 데이터에 대한 데이터 벡터를 생성할 수 있다. 기저대역 데이터

Figure pat00009
에 대한
Figure pat00010
크기의 데이터 벡터는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. Referring to Equation 2, the beam pattern matrix may be a matrix including a plurality of beam pattern vectors. The transmitting node 310 may generate baseband data to be transmitted to the receiving node 320. The transmitting node 310 may generate a data vector for baseband data. Baseband data
Figure pat00009
About
Figure pat00010
The data vector of magnitude can be expressed as Equation 3 below.

Figure pat00011
Figure pat00011

수학식 3에서,

Figure pat00012
Figure pat00013
크기의 구성 요소의 값이 1인 벡터를 지시할 수 있다. 그리고 송신 노드(310)의 안테나 t 크기의 구성 요소의 값이 1인 벡터를 지시할 수 있다. 그리고 송신 노드(310)의 안테나 t의 기저대역 디지털 영역에 선택된 빔 패턴에 의해 가중된
Figure pat00014
벡터
Figure pat00015
는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.In Equation 3,
Figure pat00012
The
Figure pat00013
A vector with a value of 1 for a component of magnitude can be indicated. In addition, a vector having a value of a component having a size of antenna t of the transmitting node 310 may be indicated. And the weighted by the selected beam pattern in the baseband digital region of the antenna t of the transmitting node 310
Figure pat00014
vector
Figure pat00015
Can be expressed as Equation 4 below.

Figure pat00016
Figure pat00016

송신 노드(310)는 빔 패턴 행렬 W 중 적어도 하나의 빔 패턴 벡터를 결정할 수 있으며, 결정된 빔 패턴을 기초로 빔을 형성할 수 있다. 또는 송신 노드(310)는 빔 패턴 행렬 W 중에서 결정된 복수개의 빔 패턴 벡터를 결합할 수 있으며, 결합된 빔 패턴 벡터를 기초로 빔을 형성할 수 있다(S320). 송신 노드(310)가 빔 패턴 행렬 W 에서 구성요소인 빔 패턴 벡터

Figure pat00017
를 선택하는 방법 및 빔 패턴을 결합하는 방법은 하기에서 설명한 바와 같을 수 있다.The transmission node 310 may determine at least one beam pattern vector of the beam pattern matrix W, and may form a beam based on the determined beam pattern. Alternatively, the transmission node 310 may combine a plurality of beam pattern vectors determined from the beam pattern matrix W, and may form a beam based on the combined beam pattern vector (S320). The beam pattern vector in which the transmitting node 310 is a component in the beam pattern matrix W
Figure pat00017
The method of selecting and the method of combining the beam pattern may be as described below.

도 4는 통신 노드에 의해 수행되는 서로 다른 빔 패턴 벡터의 결합 동작의 일 실시예를 도시한 그래프이다. 4 is a graph illustrating an embodiment of combining operations of different beam pattern vectors performed by a communication node.

도 4를 참조하면, 송신 노드(310)는 0도에 대한 메인 빔과 사이드 빔을 포함하는 안테나의 가중 벡터, 즉 제1 빔 패턴을 생성할 수 있다(S310). 그리고 통신 노드는 메인 빔과 사이드 빔을 생성하는 안테나의 가중 벡터인 제2 빔 패턴을 생성할 수 있다(S310). 제2 빔 패턴은 제1 빔 패턴과 동일하거나 유사한 위상 대비 이득(angular angle to gain) 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 패턴의 메인 빔의 위상은 제1 빔 패턴의 위상과 동일하거나 유사할 수 있다. 하지만, 제2 빔 패턴의 사이드 빔의 위상과 제1 빔 패턴의 사이드 빔 패턴의 위상은 서로 상반되는 위상일 수 있다. Referring to FIG. 4, the transmitting node 310 may generate a weighted vector of an antenna including a main beam and a side beam for 0 degrees, that is, a first beam pattern (S310). In addition, the communication node may generate a second beam pattern, which is a weighted vector of antennas that generate a main beam and a side beam (S310). The second beam pattern may have an angular angle to gain characteristic that is the same as or similar to the first beam pattern. For example, the phase of the main beam of the second beam pattern may be the same or similar to the phase of the first beam pattern. However, the phase of the side beam pattern of the second beam pattern and the phase of the side beam pattern of the first beam pattern may be opposite phases.

송신 노드(310)는 제1 빔 패턴과 제2 빔 패턴을 시간적으로 분리할 수 있다. 송신 노드(310)는 디지털적으로(또는 아날로그적으로) 제1 빔 패턴 및 제2 빔 패턴을 결합할 수 있다. 예를 들어, 송신 노드(310)는 제1 빔 패턴과 제2 빔 패턴을 결합하여 제1 빔 패턴 및 제2 빔 패턴의 메인 빔을 제외한 사이드 빔들을 제거할 수 있다(S320).The transmitting node 310 may temporally separate the first beam pattern and the second beam pattern. The transmitting node 310 may digitally (or analogly) combine the first beam pattern and the second beam pattern. For example, the transmitting node 310 may combine the first beam pattern and the second beam pattern to remove side beams except the main beam of the first beam pattern and the second beam pattern (S320).

일 실시예에 따르면, 통신 노드는 4개의 안테나 엘리먼트를 가지고 엘리먼트 간 간격이

Figure pat00018
인 ULA(Uniform Linear Array) 안테나에서의 2개 빔 패턴을 생성할 수 있다(수학식 1의 B=2에 해당하는 경우). 여기서,
Figure pat00019
로서 c는 빛의 속도를 의미하고
Figure pat00020
는 반송 주파수를 의미할 수 있다.According to one embodiment, the communication node has four antenna elements and the spacing between the elements is
Figure pat00018
Two beam patterns in a ULA (Uniform Linear Array) antenna may be generated (when B = 2 in Equation 1). here,
Figure pat00019
As c stands for the speed of light
Figure pat00020
Can mean a carrier frequency.

도 4를 참조하면, 송신 노드(310)가 신호를 전송하고자 하는 방향은 0도일 수 있다. 통신 노드는 제1 빔 패턴(예를 들어, 수학식 2의

Figure pat00021
)을 생성할 수 있다(S310). 그리고, 통신 노드는 제2 빔 패턴(예를 들어, 수학식 2의
Figure pat00022
)을 생성할 수 있다(S310). 제2 빔 패턴의 메인 빔의 위상은 제1 빔 패턴의 위상과 동일하거나 유사할 수 있으며, 제2 빔 패턴의 사이드 빔의 위상과 제1 빔 패턴의 사이드 빔 패턴의 위상은 서로 상반되는 위상일 수 있다. 예를 들어, 제2 빔 패턴은 대략 ±17도 사이에서는 제1 빔 패턴과 동일한 위상을 가질 수 있고, 이외의 영역에서는 제1 빔 패턴과 180도 가량의 위상 차이를 가질 수 있다. Referring to FIG. 4, a direction in which the transmitting node 310 intends to transmit a signal may be 0 degrees. The communication node has a first beam pattern (eg, Equation 2)
Figure pat00021
) May be generated (S310). And, the communication node is a second beam pattern (for example, Equation 2
Figure pat00022
) May be generated (S310). The phase of the main beam of the second beam pattern may be the same or similar to the phase of the first beam pattern, and the phase of the side beam of the second beam pattern and the phase of the side beam pattern of the first beam pattern may be opposite phases. You can. For example, the second beam pattern may have the same phase as the first beam pattern between approximately ± 17 degrees, and may have a phase difference of about 180 degrees from the first beam pattern in other regions.

송신 노드(310)는 제1 빔 패턴과 제2 빔 패턴을 결합하여 결합 빔 패턴을 생성할 수 있다(S320). 결합 빔 패턴은 제1 빔 패턴 및 제2 빔 패턴의 사이드 빔들이 제거된 빔 패턴일 수 있다. 결합 빔 패턴의 메인 빔은 제1 빔 패턴 및 제2 빔 패턴의 메인 빔에 비해 빔 폭이 넓을 수 있다. The transmitting node 310 may generate a combined beam pattern by combining the first beam pattern and the second beam pattern (S320). The combined beam pattern may be a beam pattern in which side beams of the first beam pattern and the second beam pattern are removed. The main beam of the combined beam pattern may have a wider beam width than the main beam of the first beam pattern and the second beam pattern.

도 5는 통신 노드에 의해 수행되는 빔 패턴 벡터의 결합 결과 생성된 빔 패턴 벡터의 일 실시에를 도시한 그래프이다. 5 is a graph showing an embodiment of a beam pattern vector generated as a result of combining beam pattern vectors performed by a communication node.

도 5를 참조하면, 송신 노드(310)에 의해 생성된 빔 패턴은 통신 노드(예를 들어, 송신 노드(310) 또는 수신 노드(320))에 포함된 안테나의 타입에 따라 서로 상이할 수 있다. 예를 들어 통신 노드(예를 들어, 송신 노드(310) 또는 수신 노드(320))의 안테나가 ULA(uniform linear array) 타입인지 PA(planar array) 타입인지 CA(circular array) 타입인지 아니면 기타 모든 가능한 타입인지에 따라서, 생성되는 빔 패턴들은 서로 상이할 수 있다. 따라서 정확히 메인 빔은 동일한 크기 및 위상 특성을 가지되, 사이드 빔은 위상이 반전되는, 서로 다른 빔 패턴들은 실제로 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 통신 노드는 빔 패턴 결합에 의해 메인 빔 방향의 이득은 유지하고 그 외 방향의 이득은 상쇄할 수 있는 2개 이상 빔 패턴들을 이용하여 사이드 빔이 제거된 메인 빔을 획득할 수 있다.Referring to FIG. 5, beam patterns generated by the transmitting node 310 may be different from each other according to the type of antenna included in the communication node (eg, the transmitting node 310 or the receiving node 320). . For example, the antenna of the communication node (for example, the transmitting node 310 or the receiving node 320) is ULA (uniform linear array) type, PA (planar array) type, CA (circular array) type, or all other. Depending on whether the type is possible, the generated beam patterns may be different from each other. Therefore, the main beams have exactly the same size and phase characteristics, but the side beams may be phase inverted, and different beam patterns may not actually exist. Accordingly, the communication node may obtain the main beam from which the side beam is removed by using two or more beam patterns that can maintain the gain in the main beam direction and cancel the gain in the other direction by combining the beam patterns.

다시 도 3을 참조하면, 송신 노드(310)는 수신 노드(320)와의 무선 채널 상태 정보를 획득할 수 있다(S330). 구체적으로 송신 노드(310)는 수신 노드(320)와의 무선 채널 행렬(channel matrix) 정보를 획득할 수 있다(S330). 송신 노드(310)는 참조 신호(예를 들어, 제1 참조 신호)를 수신 노드(320)로 송신할 수 있다. 수신 노드(320)는 송신 노드(310)로부터 제1 참조 신호를 수신할 수 있으며, 제1 참조 신호에 대한 응답 신호(예를 들어, 제2 참조 신호)를 송신 노드(310)로 송신할 수 있다. 송신 노드(310)는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호의 송수신 결과 정보를 기초로 수신 노드(320)와의 채널 행렬 정보를 획득할 수 있다(S330). 수신 노드(320)는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호의 송수신 결과 정보를 기초로 수신 노드(320)와의 채널 행렬 정보를 획득할 수 있다(S330).Referring to FIG. 3 again, the transmitting node 310 may acquire radio channel state information with the receiving node 320 (S330). Specifically, the transmitting node 310 may acquire radio channel matrix information with the receiving node 320 (S330). The transmitting node 310 may transmit a reference signal (eg, a first reference signal) to the receiving node 320. The receiving node 320 may receive a first reference signal from the transmitting node 310 and may transmit a response signal (eg, a second reference signal) to the first reference signal to the transmitting node 310. have. The transmitting node 310 may obtain channel matrix information with the receiving node 320 based on transmission / reception result information of the first reference signal and the second reference signal (S330). The receiving node 320 may obtain channel matrix information with the receiving node 320 based on transmission / reception result information of the first reference signal and the second reference signal (S330).

채널 행렬은 통신 노드(예를 들어, 송신 노드(310) 및 수신 노드(320) 등)에 포함된 안테나들에 관한 벡터들을 포함하는 행렬일 수 있다. 구체적으로 채널 행렬은 통신 노드의 안테나의 유형(일례로, ULA, PA, CA 등)에 따른 송신 노드(310)의 안테나 조정 벡터(steering vector) 및 수신 노드(320)의 안테나 반응 벡터(response vector)에 관한 정보를 포함하는 행렬일 수 있다. 송신 노드(310)와 수신 노드(320)간의 무선 링크의

Figure pat00023
채널 행렬(matrix)
Figure pat00024
는 SVD(singular value decomposition)에 의해 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.The channel matrix may be a matrix including vectors related to antennas included in a communication node (eg, a transmitting node 310 and a receiving node 320, etc.). Specifically, the channel matrix is an antenna steering vector of the transmitting node 310 and an antenna response vector of the receiving node 320 according to the type of the antenna of the communication node (eg, ULA, PA, CA, etc.). ). Of the radio link between the transmitting node 310 and the receiving node 320
Figure pat00023
Channel matrix
Figure pat00024
Can be expressed as Equation 5 by SVD (singular value decomposition).

Figure pat00025
Figure pat00025

수학식 5에서, U는

Figure pat00026
크기의 직교 행렬(orthogonal matrix)로
Figure pat00027
특성을 만족할 수 있다. S는
Figure pat00028
크기의 특이 행렬(singular value)일 수 있다. 그리고 V는
Figure pat00029
크기의 직교 행렬로
Figure pat00030
특성을 만족할 수 있다. 수학식 5의
Figure pat00031
Figure pat00032
는 각각 행렬 U와 행렬 V의 에르미트(Hermitian) 행렬을 의미할 수 있으며,
Figure pat00033
Figure pat00034
크기의 단위 행렬(identity matrix)을 의미할 수 있다. 수학식 5의 무선 채널 행렬 H를 추정하기 위해, 송신 노드(310)는 송신 안테나 별로 서로 다른 가중치가 부여된 참조 신호들을 송신할 수 있다. 각각의 참조 신호들에 인가되는 송신 안테나 별 가중치는 송신 노드(310)와 수신 노드(320)에 서로 알려지거나 그렇지 않을 수도 있다.In Equation 5, U is
Figure pat00026
Orthogonal matrix of size
Figure pat00027
Characteristics can be satisfied. S is
Figure pat00028
It may be a singular value of size. And V is
Figure pat00029
Orthogonal matrix of magnitude
Figure pat00030
Characteristics can be satisfied. Equation 5
Figure pat00031
Wow
Figure pat00032
Can mean Hermitian matrices of matrix U and matrix V, respectively.
Figure pat00033
silver
Figure pat00034
It may mean an identity matrix of magnitude. To estimate the radio channel matrix H of Equation 5, the transmission node 310 may transmit reference signals with different weights for each transmission antenna. The weight for each transmit antenna applied to each reference signal may or may not be known to the transmitting node 310 and the receiving node 320.

도청 노드(330)들에 의한 도청을 방지하기 위해, 송신 노드(310)는 행렬 H의 영 공간(null space)을 지시하는

Figure pat00035
크기의 행렬 Q를 수학식 6에 의해 산출할 수 있다. In order to prevent eavesdropping by eavesdropping nodes 330, transmitting node 310 indicates a null space of matrix H
Figure pat00035
The matrix Q of magnitude can be calculated by equation (6).

Figure pat00036
Figure pat00036

수학식 6에서,

Figure pat00037
는 H의 랭크(rank) 값을 지시할 수 있으며, TR 중 작은 수를 의미할 수 있다. ':'은 행의 전체 수를 의미하는 연산자일 수 있다. 그리고 '
Figure pat00038
'는 첫 열의 번호인 1부터 마지막 열의 번호인
Figure pat00039
까지를 의미한다. 수학식 6을 참조하면, 송신 노드(310)의 송신 안테나 수와 수신 노드(320)의 수신 안테나 수와 동일한 경우, H의 영 공간은 존재하지 않을 수 있다. 영 공간 행렬 Q는 아래의 수학식 7을 만족할 수 있다.In Equation 6,
Figure pat00037
Can indicate a rank value of H, and may mean a smaller number of T and R. ':' May be an operator that means the total number of rows. And '
Figure pat00038
'Is the number in the first column, the number in the first column,
Figure pat00039
Means up to Referring to Equation 6, when the number of transmit antennas of the transmitting node 310 is equal to the number of receiving antennas of the receiving node 320, a zero space of H may not exist. The zero space matrix Q may satisfy Equation 7 below.

Figure pat00040
Figure pat00040

수학식 7에서, 0는

Figure pat00041
크기의 영 행렬(zero matrix)을 의미할 수 있다.In Equation 7, 0 is
Figure pat00041
It may mean a zero matrix of size.

사이드 빔을 제거하기 위한 빔 패턴(예를 들어, 수학식 1과 수학식 2의 빔 패턴 참조)과 무선 채널의 영 공간(예를 들어, 수학식 5와 수학식 6의 영 공간 참조)을 지시하는 행렬 Q를 이용하여, 송신 노드(310)는 수신 노드(320)와 통신을 수행할 수 있다. 통신 노드(예를 들어, 송신 노드(310) 또는 수신 노드(320))는 하기에 기술하는 방법에 의해 도청 가능 공간에 위치한 도청 노드(330)들에 의한 도청을 방지할 수 있다. The beam pattern for removing the side beam (for example, refer to the beam pattern of Equation 1 and Equation 2) and the zero space of the radio channel (for example, refer to the zero space of Equation 5 and Equation 6) Using the matrix Q, the transmitting node 310 may communicate with the receiving node 320. The communication node (for example, the transmitting node 310 or the receiving node 320) can prevent eavesdropping by the eavesdropping nodes 330 located in the eavesdropping space by a method described below.

송신 노드(310)와 수신 노드(320) 간의 무선 링크의

Figure pat00042
채널 행렬 H의 영 공간(null space)에 존재하는 도청 노드(330)들에 의한 도청을 방지하기 위해, 송신 노드(310)는
Figure pat00043
크기의 프리코딩(precoding) 행렬 P를 생성할 수 있다(S340). 송신 노드(310)는 수신 노드(320)와의 무선 링크 채널 행렬을 기초로 프리코딩 행렬을 생성할 수 있다(S340). 송신 노드(310)는 수학식 8에 따라 프리코딩 행렬 P을 생성할 수 있다. Of the radio link between the transmitting node 310 and the receiving node 320
Figure pat00042
To prevent eavesdropping by eavesdropping nodes 330 existing in a null space of the channel matrix H, the transmitting node 310 is
Figure pat00043
A precoding matrix P of a size may be generated (S340). The transmitting node 310 may generate a precoding matrix based on the radio link channel matrix with the receiving node 320 (S340). The transmitting node 310 may generate a precoding matrix P according to Equation (8).

Figure pat00044
Figure pat00044

수학식 8에서,

Figure pat00045
Figure pat00046
은 서로 다른 계수를 지시할 수 있으며,
Figure pat00047
을 만족하는 계수들일 수 있다. 수학식 8에서 C는
Figure pat00048
크기의 의사 잡음(pseudo-noise)(또는 재밍(jamming)) 행렬을 지시할 수 있다. 의사 잡음 행렬에 포함된 복수개의 구성 요소들은 확률적 특성을 갖는 임의의 변수일 수 있다. 예를 들어, 의사 잡음 행렬의 구성 요소들의 평균 값은 0일 수 있으며, 의사 잡음 행렬의 구성 요소들의 분산 값은 1일 수 있다. 의사 잡음 행렬은 무선 채널 행렬 H의 영 공간에 존재하는 도청 노드(330)들에 의한 도청을 방지하기 위하여, 도청 노드(330)에 대한 무선 신호의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 현저하게 낮출 수 있다. In Equation 8,
Figure pat00045
Wow
Figure pat00046
Can indicate different coefficients,
Figure pat00047
It may be coefficients satisfying. In Equation 8, C is
Figure pat00048
A pseudo-noise (or jamming) matrix of magnitude can be indicated. The plurality of components included in the pseudo-noise matrix may be any variable having stochastic characteristics. For example, the mean value of the components of the pseudo noise matrix may be 0, and the variance value of the components of the pseudo noise matrix may be 1. The pseudo-noise matrix determines the signal-to-noise ratio (SNR) of the radio signal to the eavesdropping node 330 to prevent eavesdropping by eavesdropping nodes 330 present in the zero space of the radio channel matrix H. Can be significantly lowered.

송신 노드(310)는 사이드 빔을 제거하는 방식과 영 공간 상의 도청을 방지하는 방식을 결합하여 디지털 영역의 최종 기저대역 벡터인

Figure pat00049
크기의 송신 신호 벡터를 생성할 수 있다(S350). The transmitting node 310 combines a method of removing the side beam and a method of preventing eavesdropping in the zero space, which is the final baseband vector in the digital domain.
Figure pat00049
A transmission signal vector having a magnitude may be generated (S350).

본 발명의 일 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍을 수행하는 송신 노드(310)는 결합 빔 벡터와 영행렬에 관한 정보를 기초로 송신 신호 벡터를 생성할 수 있다(S350). 송신 노드(310)는 수학식 9에 따라서 송신 신호 벡터를 생성할 수 있다(S350). The transmitting node 310 performing beamforming for physical layer security according to an embodiment of the present invention may generate a transmission signal vector based on information about a combined beam vector and a zero matrix (S350). The transmission node 310 may generate a transmission signal vector according to Equation 9 (S350).

Figure pat00050
Figure pat00050

수학식 9의 송신 신호 벡터는 디지털 영역에서의 벡터일 수 있다. 송신 노드(310)는 수학식 9의 송신 신호 벡터를 변환하여 기저대역 아날로그 영역의 신호를 생성할 수 있다. 송신 노드(310)는 아날로그 영역의 신호를 변환하여 RF 영역의 신호를 생성할 수 있으며, 생성한 RF 영역의 신호를 안테나를 통해 수신 노드(320)로 송신할 수 있다(S360). 수신 노드(320)는 송신 노드(310)로부터 송신 신호 벡터를 기초로 생성된 무선 신호를 수신할 수 있다(S360). 수신 노드(320)가 수학식 9에 의해 생성된 송신 신호 벡터를 통해 무선 신호를 수신했을 경우, 수신 노드(320)가 수신한

Figure pat00051
크기의 신호 벡터는 아래의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.The transmission signal vector of Equation 9 may be a vector in the digital domain. The transmitting node 310 may generate a baseband analog region signal by converting the transmission signal vector of Equation (9). The transmitting node 310 may convert the analog region signal to generate a signal in the RF region, and transmit the generated RF region signal to the receiving node 320 through an antenna (S360). The receiving node 320 may receive a radio signal generated based on the transmission signal vector from the transmission node 310 (S360). When the receiving node 320 receives the radio signal through the transmission signal vector generated by Equation 9, the receiving node 320 receives
Figure pat00051
The magnitude signal vector may be expressed by Equation 10 below.

Figure pat00052
Figure pat00052

수학식 10에서 z는

Figure pat00053
크기의 AWGN(additive white Gaussian noise) 벡터를 지시할 수 있다. 수신 노드(320)는 무선 채널 행렬 H와 결합된 참조 신호(예를 들어, 제2 참조 신호)를 이용하여 수학식 10의
Figure pat00054
를 추정할 수 있다(S370). 수학식 10의 수신 신호 벡터는 수신 노드(320)의 수신 안테나들 각각의 가중치(예를 들어, 복소 가중치 등)가 1인 경우의 수신 신호 벡터일 수 있다. 수신 안테나 각각의 가중치(예를 들어, 복소 가중치 등)가 1이 아닌 경우의 수신 신호 벡터는 H 앞에
Figure pat00055
의 대각선(diagonal) 수신 가중치 행렬
Figure pat00056
이 부가될 수 있다. 수신 가중치 행렬은 수학식 11과 같이 표현될 수 있다. In Equation 10, z is
Figure pat00053
It can indicate an additive white Gaussian noise (AWGN) vector. The receiving node 320 uses the reference signal (eg, the second reference signal) combined with the radio channel matrix H to obtain the equation (10).
Figure pat00054
It can be estimated (S370). The received signal vector of Equation 10 may be a received signal vector when the weight of each of the receiving antennas of the receiving node 320 is equal to 1 (eg, a complex weight). If the weight of each receive antenna (eg, complex weight, etc.) is not 1, the received signal vector is preceded by H.
Figure pat00055
Diagonal receive weight matrix of
Figure pat00056
This can be added. The received weight matrix can be expressed as Equation (11).

Figure pat00057
Figure pat00057

수학식 11에서

Figure pat00058
은 수신 노드(320)의 r번째 수신 안테나에 적용되는 가중치(예를 들어, 복소 가중치)를 의미할 수 있다. 수신 노드(320)에 의해 추정된 가중치의 값 및 벡터들의 값이 정확한 경우, 수신 노드(320)는 안테나의 가중치 정보 및 벡터들의 추정치를 기초로 수신 신호를 복조할 수 있다(S380). 예를 들어, 수신 노드(320)는 수신 신호의 복조를 위해 제로 포싱 기법을 적용할 수 있으며, 수신 노드(320)는 수학식 12의 연산을 수행하여 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). In Equation 11
Figure pat00058
May denote a weight (eg, a complex weight) applied to the r- th receiving antenna of the receiving node 320. When the value of the weight and the vectors estimated by the receiving node 320 are correct, the receiving node 320 may demodulate the received signal based on the weight information of the antenna and the estimate of the vectors (S380). For example, the receiving node 320 may apply a zero-forcing technique to demodulate the received signal, and the receiving node 320 may demodulate the wireless signal by performing the operation of Equation (12) (S380).

Figure pat00059
Figure pat00059

수학식 12에 따르면, 수신 노드(320)는 제로 포싱 기법을 적용하여 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). 하지만 수신 노드(320)는 MMSE(minimum mean squared error) 기법이나 그 외의 통상의 기술자로 하여금 용이하게 도출 가능한 기법들을 적용하여 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). According to Equation 12, the receiving node 320 may demodulate the wireless signal by applying a zero-forcing technique (S380). However, the receiving node 320 may demodulate a radio signal by applying a minimum mean squared error (MMSE) technique or other techniques that can be easily derived by a person skilled in the art (S380).

도 6은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 동작 결과의 제1 실시예를 도시한 개념도이다. 6 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a beamforming operation result for physical layer security of a communication node.

도 6을 참조하면, 무선 통신 시스템의 공간은 적법한 송신 노드(310)(예를 들어, 도 3의 송신 노드(310)) 및 적법한 수신 노드(320)(예를 들어, 도 3의 수신 노드(320))가 위치하는 유효 통신 공간 및 도청 노드(330)(예를 들어, 도 3의 도청 노드(330))들이 위치하는 도청 가능 공간을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, the space of the wireless communication system includes a legitimate transmitting node 310 (eg, the transmitting node 310 of FIG. 3) and a legitimate receiving node 320 (eg, the receiving node of FIG. 3 ( 320)) and an effective communication space in which the wiretap node 330 (for example, the wiretap node 330 of FIG. 3) is located.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 노드(310)는 결합된 빔 패턴 백터를 기초로 빔을 형성할 수 있다. 결합된 빔 패턴 벡터를 기초로 형성딘 빔은 유효 통신 공간 방향의 메인 빔을 포함할 수 있으며, 사이드 빔은 서로 다른 빔 패턴의 결합으로 인하여 제거될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the transmitting node 310 may form a beam based on the combined beam pattern vector. The beam formed based on the combined beam pattern vector may include a main beam in an effective communication space direction, and the side beam may be removed due to combination of different beam patterns.

본 발명의 일 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 방법은 무선 채널 행렬의 영 공간을 추정하고, 추정한 영 공간으로 재밍(또는 의사 잡음)을 걸어 영 공간 상의 도청 노드(330)들이 수신하는 신호의 SNR를 현저히 낮추어 도청을 차단할 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍을 수행하는 송신 노드(310)는 빔 패턴

Figure pat00060
을 통해 유효 통신 대상자 간 직선 방향의 LOS(line of sight, 이하 가시 거리라 함)가 확보되는 경우 가시거리 방향으론 메인 빔을 형성하고 사이드 방향으론 사이드 빔을 제거하여 사이드 빔 공간 상의 도청 노드(330)들로 향하는 무선 신호 자체를 물리적으로 차단할 수 있다. The beamforming method for physical layer security according to an embodiment of the present invention estimates the zero space of the radio channel matrix, and jams (or pseudo-noises) the estimated zero space to receive the interception nodes 330 in the zero space. The SNR of the signal to be significantly lowered can prevent eavesdropping. And the transmitting node 310 performing beamforming for physical layer security according to an embodiment of the present invention is a beam pattern
Figure pat00060
When a linear line of sight (hereinafter referred to as 'visible distance') between the effective communication targets is secured through, a main beam is formed in the direction of the visible distance and the side beam is removed in the side direction to intercept the node 330 in the side beam space. ) Can physically block the wireless signal itself.

다만 통신 노드(예를 들어, 송신 노드(310) 및 수신 노드(320)) 간 가시 거리가 확보되지 않는 경우, 송신 노드(310)에 의해 메인 빔을 통해 전송된 신호는 수신 노드(320)로 효율적으로 도달되지 않을 수 있다. 또한 송신 노드(310)에 의해 생성된 신호가 사이드 빔이 제거된 상태에서 다른 우회 경로를 통해 전송되어, 수신 노드(320)로 효율적으로 도달되지 않을 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍을 수행하는 통신 노드는 송신 노드(310)와 수신 노드(320) 간의 사전 가시거리를 확보하는 것이 바람직할 수 있다. However, when a visible distance between the communication node (eg, the transmitting node 310 and the receiving node 320) is not secured, the signal transmitted through the main beam by the transmitting node 310 is transmitted to the receiving node 320 It may not be reached efficiently. In addition, the signal generated by the transmitting node 310 may be transmitted through another bypass path while the side beam is removed, and thus may not be efficiently reached to the receiving node 320. Accordingly, it may be desirable for a communication node to perform beamforming for physical layer security according to an embodiment of the present invention to secure a pre-visible distance between the transmitting node 310 and the receiving node 320.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 방법은 통신 노드들(예를 들어, 송신 노드(310) 또는 수신 노드(320) 등)간 가시거리 확보 여부와 무관하게 도청을 방지하는 기술일 수 있다. Therefore, the beamforming method for physical layer security according to another embodiment of the present invention can intercept eavesdropping regardless of whether a visible distance is secured between communication nodes (eg, a transmitting node 310 or a receiving node 320). It can be a technique to prevent.

다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 물리 계층 보안을 위한 빔포밍을 수행하는 송신 노드(310)는 결합 빔 벡터와 영행렬에 관한 정보를 기초로 송신 신호 벡터를 생성할 수 있다(S350). 구체적으로, 통신 노드들(예를 들어, 송신 노드(310) 및 수신 노드(320) 등)은 수학식 4에서 정의되는 결합 빔 패턴

Figure pat00061
만을 사용하는 대신 수학식 1의 빔 패턴들을 추가로 사용할 수 있다. 예를 들어, 통신 노드들(예를 들어, 송신 노드(310) 및 수신 노드(320) 등)은 송신 신호의 송신 시간 또는 송신 주파수에 따라 빔 패턴들을 선택적으로 사용할 수 있다. 본 발명의 방법 설명에서는 하기와 같이 시간 선택적인 측면에서 기술하지만 주파수 선택적인 측면에서도 적용 가능할 수 있다. Referring back to FIG. 3, a transmitting node 310 performing beamforming for physical layer security according to another embodiment of the present invention can generate a transmission signal vector based on information about a combined beam vector and a zero matrix. Yes (S350). Specifically, the communication nodes (eg, the transmitting node 310 and the receiving node 320, etc.) are combined beam patterns defined in Equation (4).
Figure pat00061
Instead of using only, beam patterns of Equation 1 may be additionally used. For example, communication nodes (eg, the transmission node 310 and the reception node 320, etc.) may selectively use beam patterns according to a transmission time or transmission frequency of a transmission signal. In the method description of the present invention, as described below, it is described in terms of time selection, but it can also be applied in terms of frequency selection.

송신 노드(310)는 시간

Figure pat00062
에 걸쳐 최종 기저대역 디지털 영역의
Figure pat00063
송신 신호 벡터
Figure pat00064
를 생성할 수 있다(S360). 송신 노드(310)는 수학식 13에 따라서 송신 신호 벡터를 생성할 수 있다. The sending node 310 has time
Figure pat00062
Across the final baseband digital domain
Figure pat00063
Transmission signal vector
Figure pat00064
It may be generated (S360). The transmission node 310 may generate a transmission signal vector according to Equation (13).

Figure pat00065
Figure pat00065

수학식 13에서

Figure pat00066
는 단위시간
Figure pat00067
에 전송되는 데이터를 지시할 수 있다.
Figure pat00068
로서
Figure pat00069
Figure pat00070
에 대한 모듈로(modulo)
Figure pat00071
를 지시할 수 있다. 그리고
Figure pat00072
를 지시할 수 있다. 수학식 13에 따르면, 송신 노드(310)는 시간
Figure pat00073
마다 서로 다른 빔 패턴을 통해 무선 신호를 송신할 수 있다(S360). 수학식 13에 의해 송신 신호 벡터를 생성하는 송신 노드(310)는 사이드 빔을 제거하기 위해 선택된 수학식 1의 빔 패턴들(즉
Figure pat00074
)과 수학식 4의 결합 빔 패턴(즉
Figure pat00075
)을 순차적으로 시간에 따라 할당할 수 있다.In Equation 13
Figure pat00066
Is the unit time
Figure pat00067
Data can be indicated.
Figure pat00068
as
Figure pat00069
silver
Figure pat00070
Modulo for
Figure pat00071
Can instruct. And
Figure pat00072
Can instruct. According to Equation 13, the transmitting node 310 is time
Figure pat00073
It is possible to transmit a wireless signal through different beam patterns for each (S360). The transmission node 310 generating a transmission signal vector by Equation 13 includes beam patterns of Equation 1 (that is, selected to remove the side beam).
Figure pat00074
) And the combined beam pattern of equation (4)
Figure pat00075
) Can be sequentially assigned over time.

송신 노드(310)는 시간

Figure pat00076
로 구성되는 시간 그룹마다 서로 다른 빔 패턴을 통해 무선 신호를 송신할 수 있다(S360). 송신 노드(310)는 단위 시간마다 또는 시간 그룹마다 다양한 방법으로 빔 패턴 및 결합 빔 패턴을 할당할 수 있으며, 단위 시간마다 전송되는 데이터는 일정한 단위 시간들마다 동일할 수 있다.The sending node 310 has time
Figure pat00076
A radio signal may be transmitted through different beam patterns for each time group composed of (S360). The transmitting node 310 may allocate the beam pattern and the combined beam pattern in various ways for each unit time or for each time group, and data transmitted for each unit time may be the same for each unit time.

수학식 13에 따른 송신 신호 벡터는 디지털 영역에서의 벡터일 수 있다. 송신 노드(310)는 수학식 13에 의해 생성된 송신 신호 벡터를 변환하여 기저대역 아날로그 영역의 신호를 생성할 수 있다. 송신 노드(310)는 아날로그 영역의 신호를 변환하여 RF 영역의 신호를 생성할 수 있으며, 생성한 RF 영역의 신호를 안테나를 통해 수신 노드(320)로 송신할 수 있다(S360). 수신 노드(320)는 송신 노드(310)로부터 송신 신호 벡터를 기초로 생성된 무선 신호를 수신할 수 있다(S360). 수신 노드(320)가 수학식 13에 의해 생성된 송신 신호 벡터를 통해 무선 신호를 수신했을 경우, 수신 노드(320)가 수신한

Figure pat00077
크기의 신호 벡터는 아래의 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.The transmission signal vector according to Equation 13 may be a vector in the digital domain. The transmission node 310 may generate a signal in the baseband analog region by converting the transmission signal vector generated by Equation (13). The transmitting node 310 may convert the analog region signal to generate a signal in the RF region, and transmit the generated RF region signal to the receiving node 320 through an antenna (S360). The receiving node 320 may receive a radio signal generated based on the transmission signal vector from the transmission node 310 (S360). When the receiving node 320 receives the radio signal through the transmission signal vector generated by Equation 13, the receiving node 320 receives
Figure pat00077
The magnitude signal vector may be expressed as Equation 14 below.

Figure pat00078
Figure pat00078

수학식 14에서, z는

Figure pat00079
크기의 AWGN 벡터를 의미한다. 수신 노드(320)는 송신 노드(310) 빔 패턴들이 무선 채널 행렬 H와 결합된 하나의 참조 신호(예를 들어 제2 참조 신호)를 이용해
Figure pat00080
를 추정할 수 있다(S370). 만약, 각각의 벡터들의 추정치가 정확한 경우, 수신 노드(320)는 각각의 벡터들의 추정치 정보를 기초로 무선 신호를 복조할 수 있다. 예를 들어, 수신 노드(320)는 복조를 위해 무선 신호에 제로 포싱 기법을 적용할 수 있으며, 수신 노드(320)는 수학식 15의 연산을 통해 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). In Equation 14, z is
Figure pat00079
Mean size AWGN vector. The receiving node 320 uses one reference signal (eg, a second reference signal) in which beam patterns of the transmitting node 310 are combined with the radio channel matrix H
Figure pat00080
It can be estimated (S370). If the estimate of each vector is correct, the receiving node 320 can demodulate the radio signal based on the estimate information of each vector. For example, the receiving node 320 may apply a zero-forcing technique to the wireless signal for demodulation, and the receiving node 320 may demodulate the wireless signal through the operation of Equation 15 (S380).

Figure pat00081
Figure pat00081

수학식 14 내지 수학식 15에 따르면, 수신 노드(320)는 제로 포싱 기법을 적용하여 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). 하지만 수신 노드(320)는 MMSE 기법이나 그 외의 통상의 기술자로 하여금 용이하게 도출 가능한 기법들을 적용하여 무선 신호를 복조할 수 있다(S380). According to Equations 14 to 15, the receiving node 320 may demodulate the wireless signal by applying a zero-forcing technique (S380). However, the receiving node 320 can demodulate the radio signal by applying techniques that can be easily derived by MMSE techniques or other ordinary technicians (S380).

도 7은 통신 노드의 물리 계층 보안을 위한 빔포밍 동작 결과의 제2 실시예를 도시한 개념도이다. 7 is a conceptual diagram illustrating a second embodiment of a beamforming operation result for physical layer security of a communication node.

도 7을 참조하면, 무선 통신 시스템의 공간은 적법한 송신 노드(310)(예를 들어, 도 3의 송신 노드(310)) 및 적법한 수신 노드(320)(예를 들어, 도 3의 수신 노드(320))가 위치하는 유효 통신 공간 및 도청 노드(330)(예를 들어, 도 3의 도청 노드(330))들이 위치하는 도청 가능 공간을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the space of the wireless communication system includes a legitimate transmitting node 310 (eg, the transmitting node 310 of FIG. 3) and a legitimate receiving node 320 (eg, the receiving node of FIG. 3 ( 320)) and an effective communication space in which the wiretap node 330 (for example, the wiretap node 330 of FIG. 3) is located.

송신 노드(310)는 복수개의 빔 패턴 백터를 기초로 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어, 송신 노드(310)는 제1 빔 패턴, 제2 빔 패턴 및 제1 빔 패턴과 제2 빔 패턴의 결합으로 생성된 결합 빔 패턴을 기초로 빔을 형성할 수 있다. 제1 빔 패턴 및 제2 빔 패턴은 메인 빔과 사이드 빔을 포함할 수 있으며, 결합 빔 패턴은 메인 빔만을 포함할 수 있다. 송신 노드(310)는 시구간(또는 주파수 구간)에 따라서 서로 다른 빔 패턴을 생성할 수 있으며, 생성한 빔 패턴에 기초하여 생성한 빔을 통해 무선 신호를 송신할 수 있다. The transmitting node 310 may form a beam based on a plurality of beam pattern vectors. For example, the transmission node 310 may form a beam based on the first beam pattern, the second beam pattern, and the combined beam pattern generated by combining the first beam pattern and the second beam pattern. The first beam pattern and the second beam pattern may include a main beam and a side beam, and the combined beam pattern may include only the main beam. The transmitting node 310 may generate different beam patterns according to time intervals (or frequency intervals), and may transmit radio signals through the generated beams based on the generated beam patterns.

본 발명에서 제안하는 상기 2번째 도청 방지 방법은, 도 7에서 보는 바와 같이, 수학식 12를 통해 무선 채널 행렬의 영 공간을 추정해 도청 가능 공간으로 재밍(또는 의사 잡음)을 부가할 수 있다. 따라서 영 공간 상의 도청 노드(330)들은 현저히 낮은 신호 대 잡음비를 가지는 무선 신호를 수신할 수 있어, 송신 노드(310)는 도청 노드(330)에 의한 도청을 차단할 수 있다. 그리고 송신 노드(310)는 수학식 12의 1번째 항의 빔 패턴들(

Figure pat00082
)을 통해, 특정 단위시간 동안에는 유효 통신 대상자 간 가시거리 방향으론 메인 빔이 형성되고 사이드 방향으론 사이드 빔이 제거되는 빔 패턴
Figure pat00083
을 적용해 사이드 방향의 도청을 물리적으로 차단할 수 있다. 그리고 송신 노드(310)는 또다른 특정 단위시간들 동안 서로 다른 방향을 지향하는 사이드 빔들을 형성하는 빔 패턴들
Figure pat00084
을 적용해 도청 가능 공간의 특정 도청 노드(330)의 사이드 빔 수신을 차단할 수 있다. In the second anti-tapping method proposed in the present invention, as shown in FIG. 7, the zero space of the radio channel matrix can be estimated through Equation (12) and jamming (or pseudo noise) may be added to the tapping space. Accordingly, the eavesdropping nodes 330 in the zero space can receive a radio signal having a significantly low signal-to-noise ratio, so that the transmitting node 310 can block eavesdropping by the eavesdropping node 330. And the transmitting node 310 is the beam patterns of the first term (12) (
Figure pat00082
), A beam pattern in which a main beam is formed in a visible distance direction between effective communication targets and a side beam is removed in a side direction during a specific unit time.
Figure pat00083
You can physically block the wiretapping in the side direction by applying. And the transmitting node 310 beam patterns forming side beams pointing in different directions for another specific unit time.
Figure pat00084
The side beam reception of a specific wiretap node 330 in a wiretap-capable space may be blocked by applying.

본 발명의 다른 실시예에 따른 도청 방지 방법은 시간에 따라 의도적으로 도청 노드(330)에게 유효 통신 대상자들 간 통신 신호가 도달하게 하거나 차단함으로써 결과적으로 도청을 방지할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 도청 방지 방법을 적용하면 유효 통신 대상자 간 가시거리가 확보되지 않는 경우라도 빔 패턴들(사이드 빔이 제거된 빔 패턴 제외)의 메인 빔의 일부와 사이드 빔 방향으로 얼마든지 비가시거리로 유효 통신 신호를 송신할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 도청 방지 방법은 가시거리와 비가시거리가 혼재되어 있는 다중 경로 무선 환경에 적합한 도청 방지 방법일 수 있다.The eavesdropping prevention method according to another embodiment of the present invention may intentionally prevent eavesdropping by intentionally causing the eavesdropping node 330 to reach or block a communication signal between effective communication targets. When the eavesdropping prevention method according to another embodiment of the present invention is applied, a part of the main beam and the side beam direction of the beam patterns (except the beam pattern from which the side beam is removed) is determined even when the visible distance between the effective communication targets is not secured. Either way, an effective communication signal can be transmitted at an invisible distance. Accordingly, the eavesdropping prevention method according to another embodiment of the present invention may be an eavesdropping prevention method suitable for a multi-path wireless environment in which a visible distance and an invisible distance are mixed.

예를 들어, 본 발명에 따른 LTE 시스템에서 단말의 기지국에 대한 접속 절차에 적용될 수 있다. 예를 들어, LTE 시스템의 단말은 기지국과의 무선 링크 동기를 획득하기 위한 절차를 수행할 수 있다. 동기를 획득한 단말은 기지국에 접속하기 위한 절차를 수행할 수 있다. 예를 들어, 단말은 인증 절차를 포함하는 기지국과의 ECM 연결 동작을 수행할 수 있다. 기지국에 접속된 단말은 NAS 보안키 설정 절차를 수행할 수 있다. For example, in the LTE system according to the present invention can be applied to the access procedure for the base station of the terminal. For example, the terminal of the LTE system may perform a procedure for obtaining radio link synchronization with the base station. A terminal that acquires synchronization may perform a procedure for accessing a base station. For example, the terminal may perform an ECM connection operation with a base station including an authentication procedure. The terminal connected to the base station may perform a NAS security key setting procedure.

LTE 시스템에서의 단말의 접속 절차 중에서, 단말은 단말의 고유 번호인 IMSI(international mobile subscriber identity) 정보를 포함하는 메시지를 기지국으로 송신할 수 있다. 단말은 IMSI 정보를 기초로 NAS(non access stratum) 보안키 설정 절차를 수행하여 보안키를 생성할 수 있다. 따라서 IMSI 정보가 도청될 경우, 단말이 NAS 보안키 설정 절차 이후에 암호화된 패킷을 송신하여도, 도청 노드(330)에 의하여 송신 노드(310)의 패킷이 도청될 수 있다. During the access procedure of the terminal in the LTE system, the terminal may transmit a message including international mobile subscriber identity (IMSI) information that is a unique number of the terminal to the base station. The terminal may generate a security key by performing a NAS (non access stratum) security key setting procedure based on the IMSI information. Therefore, when the IMSI information is tapped, even if the terminal transmits an encrypted packet after the NAS security key setting procedure, the packet of the transmitting node 310 may be tapped by the eavesdropping node 330.

따라서 LTE 시스템에서 단말은 기지국에 접속하기 위한 IMSI 정보 송수신 절차에서 본 발명에서 제안하는 물리 계층 보안 기술을 적용할 수 있으며, IMSI정보의 도청을 방지할 수 있다. IMSI 정보 송수신 절차에서만 물리 계층 보안 기술을 적용할 수 있으며, 이후 절차에서는 물리 계층 보안 기술을 적용할 필요는 없다. Therefore, in the LTE system, the terminal can apply the physical layer security technology proposed in the present invention in the IMSI information transmission / reception procedure for accessing the base station, and can prevent eavesdropping of the IMSI information. The physical layer security technology can be applied only in the IMSI information transmission and reception procedure, and it is not necessary to apply the physical layer security technology in the subsequent procedure.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The methods according to the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer readable medium. Computer-readable media may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable by those skilled in computer software.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of computer-readable media include hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as roms, rams, flash memories, and the like. Examples of program instructions may include machine language codes such as those produced by a compiler, as well as high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The above-described hardware device may be configured to operate with at least one software module to perform the operation of the present invention, and vice versa.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the above embodiments, those skilled in the art understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. Will be able to.

Claims (1)

물리 계층 보안을 위한 제1 통신 노드의 빔 포밍(beamforming) 방법으로서,
제2 통신 노드와의 복수개의 빔 패턴 벡터들을 생성하는 단계;
상기 빔 패턴 벡터들을 기초로 사이드 빔을 제거하기 위한 결합 빔 패턴 벡터를 생성하는 단계;
상기 제2 통신 노드와의 채널 행렬(channel matrix)을 기초로 프리코딩(precoding) 벡터를 생성하는 단계;
상기 결합 빔 패턴 벡터와 상기 프리코딩 벡터를 기초로 송신 신호 벡터를 생성하는 단계; 및
상기 송신 신호 벡터에 기초하여 상기 제2 통신 노드로 신호를 전송하는 단계를 포함하는 제1 통신 노드의 빔 포밍 방법.
A beamforming method of a first communication node for physical layer security,
Generating a plurality of beam pattern vectors with a second communication node;
Generating a combined beam pattern vector for removing side beams based on the beam pattern vectors;
Generating a precoding vector based on a channel matrix with the second communication node;
Generating a transmission signal vector based on the combined beam pattern vector and the precoding vector; And
And transmitting a signal to the second communication node based on the transmission signal vector.
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