KR20200067739A - Common secret key generating system for secure wireless communication - Google Patents

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KR20200067739A
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한밭대학교 산학협력단
한밭대학교 산학협력단
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Abstract

According to the present disclosure, disclosed are a system and method for generating a secret key for secure wireless communication. According to a specific embodiment of the present disclosure, a low key bit disagreement rate (KBDR) and a high key agreement rate (KAR) can be obtained by generating a spare key according to quantizing an autocorrelation sequence of channel coefficients in a time division duplex (TDD) wireless channel environment, performing information adjusting on the bit disagreement of the generated spare key using safety sketch or low density parity check (LDPC), and generating a secret key by performing privacy amplification using a hash function. In addition, according to the improvement of the channel condition, the performance of information adjustment can be improved with a safety sketch technique, and information of all generated keys can be adjusted when the signal-to-noise ratio (SNR) is 0 dB or more.

Description

보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템 및 방법{COMMON SECRET KEY GENERATING SYSTEM FOR SECURE WIRELESS COMMUNICATION}SECOND KEY GENERATION SYSTEM FOR SECURE WIRELESS COMMUNICATION FOR SECURE WIRELESS COMMUNICATION

본 발명은 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크와 다운 링크 채널 계수로부터 도출된 채널 이득으로 비밀키를 생성함에 따라, 보안성을 더욱 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for generating a secret key for secure wireless communication, and more specifically, as the secret key is generated with a channel gain derived from uplink and downlink channel coefficients between a transmitting node and a receiving node, security It relates to a technology that can be further improved.

무선 장치는 무선 통신 채널의 방송 특성으로 인해 그 전력 범위 내에서 다은 무선 장치와 통신할 수 있으며, 이에 다양한 주파수 해킹 공격에 매우 취약하다. The wireless device can communicate with other wireless devices within its power range due to the broadcasting characteristics of the wireless communication channel, and thus is very vulnerable to various frequency hacking attacks.

따라서, 최근에는 무선 채널의 보안성을 확보하기 위한 물리적 계층 보안을 제안하고 있으며, 이러한 물리적 계층 보안은 무선 채널 간의 무작위 속성을 활용하여 무선 시스템 간의 보안을 제안한 기술로 키 기반의 시스템으로 구현된다.Therefore, recently, physical layer security has been proposed to secure the security of a wireless channel, and this physical layer security is implemented as a key-based system as a technology that proposes security between wireless systems by utilizing random attributes between wireless channels.

키 기반의 비밀키 생성 시스템은, 합법적인 무선 링크의 사용자 간의 사용할 수 있는 공통 채널 정보로부터 비밀 키를 무작위로 생성하며, 이러한 물리적 계층 보안에 의거 생성된 비밀 키의 임의성 및 보안은 시간 상호 관계, 채널 상호성 및 공간 상관 관계로 정해진다. The key-based secret key generation system randomly generates a secret key from common channel information available between users of a legitimate wireless link, and the randomness and security of the secret key generated based on the physical layer security are time-correlated, It is determined by channel reciprocity and spatial correlation.

즉, 송신 노드 및 수신 노드 뿐만 아니라 환경 내의 물체의 이동으로 인해 시간이 지남에 따라 채널 상태가 임의로 변경되므로, 이러한 채널 상태를 예측할 수 없는 변화는 물리적 계층 보안에 의거 비밀키 생성 시스템의 변수로 제공된다.That is, since the channel state is randomly changed over time due to the movement of objects in the environment as well as the transmitting node and the receiving node, such an unpredictable change in the channel state is provided as a variable of the secret key generation system based on the physical layer security. do.

또한 송신 노드와 수신 노드에서의 채널 페이딩이 동일하다는 가정하면, 순방향 채널의 채널 응답은 시분할 듀플렉스(TDD: Time Division Duplex) 시스템에서의 역방향 채널과 동일하므로, 공통의 랜덤 채널 정보를 이용하여 동일한 비밀키를 생성할 수 있다.In addition, assuming that the channel fading at the transmitting node and the receiving node are the same, the channel response of the forward channel is the same as the reverse channel in the time division duplex (TDD) system, so the same secret is used using common random channel information. You can generate keys.

그러나, 무선 장비의 불안전성 및 측정 잡음으로 인해 업링크 및 다운 링크 채널로부터 얻은 채널 정보는 비대칭이므로 비밀키 생성 구현이 어렵다.However, due to instability and measurement noise of wireless equipment, channel information obtained from uplink and downlink channels is asymmetric, making it difficult to implement secret key generation.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 낮은 키 비트 불일치 레이트(KBDR: Key Bit Disagreement Rate)와 키 동의 레이트(KAR: Key Agreement Rate)을 향상시킬 수 있으며, 채널의 빠른 변화에도 불구하고 정보 조정의 성능을 향상시킬 수 있는 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 시스템 및 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.The present invention for solving this problem can improve the low key bit disagreement rate (KBDR: Key Bit Disagreement Rate) and the key agreement rate (KAR: Key Agreement Rate). It is an object of the present invention to provide a system and method for generating a common secret key for secure wireless communication that can improve the performance.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by embodiments of the present invention. In addition, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention can be realized by means of the appended claims and combinations thereof.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 양태에 의거 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 시스템은According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a common secret key generation system for secure wireless communication is

양방향 통신을 수행하는 송신 노드 및 수신 노드와, 송수신 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드를 포함하는 무선 장비에 있어서,A wireless device comprising a transmitting node and a receiving node performing bidirectional communication, and a wiretapping node for eavesdropping communication between the transmitting and receiving nodes,

상기 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 채널 계수를 도출하는 무작위 추출부;A random extraction unit provided in the transmitting node and deriving channel coefficients between uplink and downlink between the transmitting node and the receiving node;

상기 무작위 추출부의 채널 계수에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하는 채널 전처리부;A channel pre-processor for deriving an autocorrelation sequence vector for the channel coefficients of the random extractor;

상기 채널 전처리부의 자기 상관 시퀀스 벡터를 이진 벡터로 양자화하여 예비키를 생성하는 예비키 생성부; A pre-key generator for quantizing the auto-correlation sequence vector of the channel pre-processor into a binary vector to generate a pre-key;

생성된 예비키의 비트 불일치를 LDPC(Low Density Parity Check)로 조정하는 정보 조정부; 및 An information adjusting unit that adjusts the bit mismatch of the generated spare key with LDPC (Low Density Parity Check); And

상기 비트 불일치가 조정된 예비키에 대해 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키를 생성하는 비밀키 생성부를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.It characterized in that it comprises a secret key generating unit for generating a secret key by performing a privacy amplification on the pre-adjusted bit mismatch.

바람직하게 상기 채널 전처리부는,Preferably, the channel pre-processing unit,

도출된 채널 계수에 대해 고속 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 통해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하도록 구비될 수 있다.It may be provided to derive an autocorrelation sequence vector through a fast Fourier transform and an inverse Fourier transform on the derived channel coefficients.

바람직하게 상기 정보 조정부는, Preferably, the information adjustment unit,

송신 노드에서, 오류 정정 코드 중 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 통해 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고, At the transmitting node, the codeword to which LDPC (Low Density Parity Check) is added among the error correction codes is encoded, then modulated through BPSK (Binary Phase Shift Keying), and the modulated signal is transmitted to the receiving node using a public channel. ,

수신 노드에서, 변조된 코드워드에 대해 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 디코딩하고 코드워드가 완전하게 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있다.At the receiving node, the codeword to which the Low Density Parity Check (LDPC) is added is decoded by using the preliminary key received using the Sum Product Algorithm (SPA) for the modulated codeword, and the codeword is completely recovered. It can be provided to adjust the information until.

바람직하게 상기 정보 조정부는, Preferably, the information adjustment unit,

송신 노드에서 에러 보정 코드로부터 랜덤 코드워드를 선택하고, 선택된 예비키와 선택된 코드워드에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬을 연산하고, 신드롬을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,At the transmitting node, a random codeword is selected from the error correction code, an exclusive OR is performed on the selected spare key and the selected codeword to calculate the syndrome, the syndrome is modulated by BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique, and then the public channel is To the receiving node,

수신 노드에서, 수신된 신트롬과 생성된 예비키에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬이 제거된 코드워드를 출력한 다음 코드워드를 복호화하여 랜덤 코드워드가 완전히 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있다.At the receiving node, an exclusive OR may be performed on the received syndrome and the generated spare key to output the codeword from which the syndrome has been removed, and then decode the codeword to adjust the information until the random codeword is completely recovered. have.

바람직하게, 상기 프라이버시 증폭부는,Preferably, the privacy amplification unit,

송신 노드와 수신 노드 간의 해시 함수를 이용하여 예비키 중 도청 노드에 노출된 정보를 제거하여 비밀키를 생성하도록 구비될 수 있다. The hash function between the transmitting node and the receiving node may be provided to remove the information exposed to the eavesdropping node among the spare keys to generate a secret key.

본 발명의 일 실시 다른 양태에 의거 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 방법은According to another embodiment of the present invention, a method for generating a common secret key for secure wireless communication is

양방향 통신을 수행하는 송신 노드 및 수신 노드와, 송수신 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드를 포함하는 무선 장비의 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 방법에 있어서, A method for generating a common secret key for secure wireless communication of a wireless device including a transmitting node and a receiving node performing bidirectional communication, and a wiretapping node for eavesdropping communication between the transmitting and receiving nodes,

상기 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 채널 계수를 도출하는 무작위 추출단계;A random extraction step provided in the transmitting node to derive channel coefficients between uplink and downlink between the transmitting node and the receiving node;

도출된 채널 계수에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하는 채널 전처리단계;A channel preprocessing step of deriving an autocorrelation sequence vector for the derived channel coefficients;

채널 전처리부의 자기 상관 시퀀스 벡터를 이진 벡터로 양자화하여 예비키를 생성하는 예비키 생성단계A preliminary key generation step of generating a preliminary key by quantizing the autocorrelation sequence vector of the channel preprocessing unit into a binary vector

생성된 예비키의 비트 불일치를 LDPC(Low Density Parity Check)로 조정하는 정보 조정단계; 및An information adjustment step of adjusting the bit mismatch of the generated spare key with LDPC (Low Density Parity Check); And

상기 비트 불일치가 조정된 예비키에 대해 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키를 생성하는 비밀키 생성단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.And a secret key generation step of generating a secret key by performing privacy amplification on the spare key in which the bit mismatch is adjusted.

바람직하게 상기 채널 전처리단계는Preferably, the channel pre-processing step

도출된 채널 계수에 대해 고속 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 통해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하도록 구비될 수 있다.It may be provided to derive an autocorrelation sequence vector through a fast Fourier transform and an inverse Fourier transform on the derived channel coefficients.

바람직하게 상기 정보 조정단계는Preferably, the information adjustment step

송신 노드에서, 오류 정정 코드 중 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 통해 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고, At the transmitting node, the codeword to which LDPC (Low Density Parity Check) is added among the error correction codes is encoded, then modulated through BPSK (Binary Phase Shift Keying), and the modulated signal is transmitted to the receiving node using a public channel. ,

수신 노드에서, 변조된 코드워드에 대해 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 디코딩하고 코드워드가 완전하게 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있다.At the receiving node, the codeword to which the Low Density Parity Check (LDPC) is added is decoded by using the preliminary key received using the Sum Product Algorithm (SPA) for the modulated codeword, and the codeword is completely recovered. It can be provided to adjust the information until.

바람직하게 상기 정보 조정단계는 Preferably, the information adjustment step

송신 노드에서 에러 보정 코드로부터 랜덤 코드워드를 선택하고, 선택된 예비키와 선택된 코드워드에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬을 연산하고, 신드롬을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,At the transmitting node, a random codeword is selected from the error correction code, an exclusive OR is performed on the selected spare key and the selected codeword to calculate the syndrome, and the syndrome is modulated by BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique, and then the public channel is To the receiving node,

수신 노드에서, 수신된 신트롬과 생성된 예비키에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬이 제거된 코드워드를 출력한 다음 코드워드를 복호화하여 랜덤 코드워드가 완전히 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있다.At the receiving node, an exclusive OR may be performed on the received syndrome and the generated spare key to output the codeword from which the syndrome has been removed, and then decode the codeword to adjust the information until the random codeword is completely recovered. have.

일 실시 예에 따르면 TDD 무선 채널 환경에서 채널 계수의 자기 상관 시퀀스를 양자화하여 예비키를 생성하고 생성된 예비키의 비트 불일치를 안전 스케치 또는 LDPC(Low Density Parity Check)를 이용하여 정보 조정하고 해시 함수를 이용하여 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키 생성함에 따라 낮은 키 비트 불일치 율(KBDR) 및 높은 키 일치 율(KAR)을 획득할 수 있고, 채널 조건의 개선에 따라 안전 스케치 기법으로 정보 조정의 성능을 향상시킬 수 있으며, 신호대 잡음 비(SNR)가 12dB 이상인 경우 생성된 모든 키의 정보 조정이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, a TDD wireless channel environment quantizes an auto-correlation sequence of channel coefficients to generate a spare key, adjusts information using a safety sketch or a low density parity check (LDPC), and hash function As the secret key is generated by performing privacy amplification, a low key bit mismatch rate (KBDR) and a high key match rate (KAR) can be obtained. It can be improved, and if the signal-to-noise ratio (SNR) is more than 12dB, information of all the generated keys can be adjusted.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예의 무선 장비를 보인 도이다.
도 2는 일 실시예의 무선 장비의 비밀키 생성 시스템의 구성도이다.
도 3은 일 실시 예의 무작위 추출부의 세부 구성도이다.
도 4는 일 실시예의 채널 전처리부의 세부 구성도이다.
도 5는 일 실시예의 LDPC를 이용한 정보 조정부의 세부구성도이다.
도 6은 일 실시예의 정보 조정부의 안전 스케치 기법의 개념도이다.
도 7은 일 실시예의 3Km의 채널 속도 대비 KBDR을 보인 그래프이다.
도 8은 일 실시예의 3Km의 채널 속도 대비 KAR을 보인 그래프이다.
도 9는 일 실시예의 30Km의 채널 속도대비 KBDR을 보인 그래프이다.
도 10은 일 실시예의30Km의 채널 속도대비 KAR을 보인 그래프이다.
The following drawings attached in this specification are intended to illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the invention described below, and thus the present invention is described in such drawings. It is not limited to interpretation.
1 is a diagram illustrating a wireless device of one embodiment.
2 is a configuration diagram of a system for generating a secret key of a wireless device in one embodiment.
3 is a detailed configuration diagram of a random extraction unit of an embodiment.
4 is a detailed configuration diagram of a channel preprocessor of an embodiment.
5 is a detailed configuration diagram of an information adjustment unit using an LDPC in one embodiment.
6 is a conceptual diagram of a safety sketching technique of an information adjustment unit of an embodiment.
7 is a graph showing KBDR versus channel speed of 3Km in one embodiment.
8 is a graph showing KAR versus channel speed of 3 Km in one embodiment.
9 is a graph showing KBDR versus channel speed of 30Km in one embodiment.
10 is a graph showing KAR versus channel speed of 30 Km in one embodiment.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will be apparent with reference to embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person having the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used in the specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terminology used in the present invention has been selected, while considering the functions in the present invention, general terms that are currently widely used are selected, but this may vary according to the intention or precedent of a person skilled in the art or the appearance of a new technology. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the description of the applicable invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents of the present invention, not simply the names of the terms.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.When a certain part of the specification "includes" a certain component, this means that other components may be further included instead of excluding other components unless specifically stated to the contrary. Also, the term "part" as used in the specification means a hardware component such as software, FPGA, or ASIC, and "part" performs certain roles. However, "part" is not meant to be limited to software or hardware. The "unit" may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.

따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.Thus, as an example, "part" refers to components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, attributes, procedures, Includes subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, database, data structures, tables, arrays and variables. The functionality provided within the components and "parts" may be combined into a smaller number of components and "parts" or further separated into additional components and "parts".

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted.

일 실시 예가 적용되는 통신 시스템은 각각의 구성요소에 대해 임의 개를 임의의 적절한 구성으로 포함할 수도 있다. 일반적으로, 컴퓨팅 및 통신 시스템들은 광범위한 구성들로 나타나며, 도면은 본 개시의 범위를 어떤 특정 구성으로 한정하지 않는다. 도면은 본 특허 문서에서 개시된 다양한 특성들이 사용될 수 있는 하나의 동작 환경을 도시하고 있지만, 그러한 특성들은 어떤 다른 적절한 시스템에서 사용될 수도 있다.The communication system to which an embodiment is applied may include any dog in any suitable configuration for each component. In general, computing and communication systems appear in a wide variety of configurations, and the drawings do not limit the scope of the present disclosure to any particular configuration. Although the figure shows one operating environment in which various features disclosed in this patent document may be used, such features may be used in any other suitable system.

일 실시 예에 의거, 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 도출된 채널 추정치의 자기 상관 시퀀스를 도출하며, 도출된 자기 상관 시퀀스를 양자화하여 2진 값으로 변환하여 예비키를 생성하고, 생성된 예비키의 LDPC(Low Density Parity Check) 코드, Turbo 코드, 캐스케이드, 또는 안전 스케치 중 하나로 비트 불일치를 조정한 다음 프라이버시 증폭 기법으로 생성된 예비키 중 도청 노드에 유출된 일부를 제거하여 비밀키를 생성한다. According to an embodiment, a self-correlation sequence of a channel estimate derived between an uplink and a downlink between a transmitting node and a receiving node is provided in a transmitting node, and the derived autocorrelation sequence is quantized and converted into a binary value to reserve a key. And adjust the bit mismatch with one of LDPC (Low Density Parity Check) codes, Turbo codes, cascades, or safety sketches of the generated spare key, and then, among the spare keys generated by the privacy amplification technique, the leaked part to the wiretap node Remove it to generate a secret key.

이에 낮은 키 비트 불일치 율(KBDR: Key Bit Disagreement Rate)와 높은 키 일치 율(KAR: Key Agreement Rate)을 제공할 수 있으며, 채널의 빠른 변화에도 불구하고 비밀 생성 시스템의 성능이 동일하게 유지될 수 있다.Accordingly, it is possible to provide a low key bit disagreement rate (KBDR) and a high key agreement rate (KAR), and the performance of the secret generation system may remain the same despite rapid channel changes. have.

도 1은 일 실시예의 비밀키 생성 시스템이 적용되는 무선 장비의 구성을 보인 도면으로서, 도 1을 참조하면, 일 실시 예의 무선 통신 장비는 양방향 통신이 가능한 송신 노드 Alice 및 수신 노드 Bob과, 이 들 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드 Eve를 포함할 수 있다.1 is a view showing the configuration of a wireless device to which the secret key generation system of an embodiment is applied. Referring to FIG. 1, the wireless communication device of an embodiment includes a transmitting node Alice and a receiving node Bob capable of bidirectional communication, and It may include an eavesdropping node Eve that intercepts communication between nodes.

그리고 일 실시예의 송신 노드 Alice 및 수신 노드 Bob 간의 무선 장비는 2.4GHz의 반송파 주파수로 동작되는 시분할 TDD 반전이(Half Duplex) 시스템이고, 도청 노드 Eve는 송신/수신 노드에서 1/2 파장보다 큰 거리에 있다고 가정한다.And the wireless device between the transmitting node Alice and the receiving node Bob in one embodiment is a time division TDD half duplex system operated at a carrier frequency of 2.4 GHz, and the eavesdropping node Eve has a distance greater than 1/2 wavelength at the transmitting/receiving node. Suppose you are in

즉, 송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob) 간의 무선 장비는 송신 노드와 수신 노드간의 채널 정보를 상호 전달하고, 송수신 노드 사이의 통신을 도청하려는 도청 노드(Eve)가 존재한다고 가정하고, 도청 노드(Eve)는 수동 공격자로 송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob) 간의 키 생성 체계와 송수신 노드 간의 채널 특성에 대한 예측이 가능하다고 가정한다.That is, it is assumed that a wireless device between a transmitting node (Alice) and a receiving node (Bob) transmits channel information between a transmitting node and a receiving node, and there is an eavesdropping node (Eve) that attempts to eavesdrop on communication between the transmitting and receiving nodes. It is assumed that the node (Eve) is a passive attacker and can predict the key generation scheme between the transmitting node (Alice) and the receiving node (Bob) and channel characteristics between the transmitting and receiving nodes.

그리고 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob이 채널이 동일하게 유지되는 시간(coherence time)보다 짧은 시간 내에 채널의 프로빙 신호를 교환한다고 가정하면, Alice와 Bob이 도출하는 채널 추정치는 채널 상호성의 원리와 잡음이 없다는 가정하에 동일할 수 있다. 즉 채널 추정치의 오차는 잡음에 의해서만 발생하게 된다.In addition, assuming that the transmitting node Alice and the receiving node Bob exchange the probing signal of the channel within a time shorter than the coherence time of the channel, the channel estimate derived by Alice and Bob is based on the principle of channel reciprocity and noise. It can be the same on the assumption that none. That is, the error of the channel estimate is caused only by noise.

이러한 무선 장비의 보안 통신을 위해 각 송신 노드 Alice 와 수신 노드 Bob은 비밀키 생성 시스템이 각각 구축된다.For the secure communication of these wireless devices, each transmitting node Alice and receiving node Bob have a secret key generation system, respectively.

도 2는 일 실시예에 따른 비밀키 생성 시스템의 세부 구성도로서, 도 2를 참조하면, 일 실시예는 송신 노드 Alice 와 수신 노드 Bob 간의 업 링크 및 다운 링크 간 도출된 채널 계수를 도출하고, 도출된 채널 계수의 자기 상관 시퀀스를 도출하며, 도출된 자기 상관 시퀀스 벡터를 양자화하여 이진 레벨로 변환하여 예비키를 도출하고, 예비키의 비트 불일치를 조정한 다음 프라이버시 증폭 기법을 토대로 생성된 예비키 중 도청 노드 Eve에 유출된 일부를 제거한 다음 비밀키를 생성한다. 여기서, 일 실시 예는 예비키의 비트 불일치는 LDPC(Low Density Parity Check) 코드 및 안전 스케치 기법을 이용하여 정보 조정하는 것을 일 례로 설명하고 있으나, LDPC(Low Density Parity Check) 코드, Turbo 코드, 캐스케이드, 또는 안전 스케치 등의 다양한 기법을 이용할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.2 is a detailed configuration diagram of a secret key generation system according to an embodiment. Referring to FIG. 2, an embodiment derives channel coefficients derived between uplink and downlink between the transmitting node Alice and the receiving node Bob, Derive the autocorrelation sequence of the derived channel coefficients, quantize the derived autocorrelation sequence vector, convert it to a binary level to derive the preliminary key, adjust the bit mismatch of the preliminary key, and then generate the preliminary key based on the privacy amplification technique. The secret key is generated after removing some of the leaks from the intercepted node Eve. Here, in one embodiment, the bit mismatch of the spare key is described as an example of adjusting information by using a low density parity check (LDPC) code and a safety sketching technique, but a low density parity check (LDPC) code, a turbo code, and a cascade , Or various techniques such as safety sketching may be used, but is not limited thereto.

이에 송신 노드 Alice는 생성된 비밀키로 송신 노드의 원시 신호를 인코딩하여 압축한 다음 수신 노드 Bob로 전달한다. 이때 예비키는 송신 노드 Alice 와 수신 노드 Bob 간에 공동으로 사용된다.Accordingly, the transmitting node Alice encodes and compresses the raw signal of the transmitting node with the generated secret key, and then transmits it to the receiving node Bob. At this time, the spare key is used jointly between the transmitting node Alice and the receiving node Bob.

도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 비밀키 생성 시스템은, 무선 통신 장치의 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 각각에 마련되고, 무작위 추출부(100), 채널 전처리부(200), 정보 양자화부(300), 정보 조정부(400), 및 프라이버시 증폭부(500) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2, the secret key generation system according to an embodiment is provided at each of the transmitting node Alice and the receiving node Bob of the wireless communication device, and the random extraction unit 100, the channel pre-processing unit 200, and the information quantization unit It may include at least one of the 300, the information adjustment unit 400, and the privacy amplification unit 500.

여기서, 무작위 추출부(100)은 각 노드 Alice, Bob 가 이용할 수 있는 공통의 채널 특성을 추출한다. 여기서 채널 특성은 수신 신호 강도 (RSS), 채널 임펄스 응답(CIR: Channel Impluse Response) 또는 채널 주파수 응답(CFR: Channel Frequency Response)을 포함한다. 상용 무선 장비에서 쉽게 액세스 할 수 있기 때문에 비밀 키 생성의 가장 실질적인 구현은 수신 신호 강도(RSS: Received Signal Strength)를 기반으로 수행된다. 또한 채널 임펄스 응답(CIR) 또는 채널 주파수 응답(CFR)는 송수신 노드 간의 파일럿 신호에 대해 MMSE(minimum mean squared error) 알고리즘을 이용하여 채널 프로빙할 수 있다.Here, the random extraction unit 100 extracts common channel characteristics that each node Alice and Bob can use. Here, the channel characteristics include received signal strength (RSS), channel impulse response (CIR), or channel frequency response (CFR). Because it is easily accessible from commercial wireless equipment, the most practical implementation of secret key generation is performed based on Received Signal Strength (RSS). In addition, the channel impulse response (CIR) or the channel frequency response (CFR) can be channel-probeed using a minimum mean squared error (MMSE) algorithm for pilot signals between transmitting and receiving nodes.

즉, 송신 노드 Alice 및 수신 노드 Bob 과의 양방향 통신을 통해 제공받은 파일럿 신호에 대한 채널 프로빙에 의거 채널 추정을 수행할 수 있다. That is, channel estimation can be performed based on channel probing for a pilot signal provided through two-way communication between the transmitting node Alice and the receiving node Bob.

이때 송신 노드 Alice에서 수신 노드 Bob의 채널 계수 hab와 수신 노드 Bob에서 송신 노드 Alice 의 채널 이득 hba 는 채널 상호성의 원리에 의거 hab = hba 이나 잡음으로 인해 상호 연관성이 존재한다.At this time, the channel coefficient hab of the receiving node Bob in the transmitting node Alice and the channel gain hba of the transmitting node Alice in the receiving node Bob are correlated due to hab = hba or noise based on the principle of channel reciprocity.

양방향 채널을 통해 송수신되는 프로브 신호

Figure pat00001
에 대해, 송신 노드(Alice) 및 수신 노드(Bob) 각각의 수신 신호
Figure pat00002
,
Figure pat00003
는 식 1으로 주어진다.Probe signal transmitted and received through a bidirectional channel
Figure pat00001
For, the receiving signal of each of the transmitting node (Alice) and the receiving node (Bob)
Figure pat00002
,
Figure pat00003
Is given by Equation 1.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
는 송신 노드 Alice의 수신 신호이고,
Figure pat00006
는 수신 노드 Bob의 수신 신호이면,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
는 백색 가우시안 잡음이며,
Figure pat00009
는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 간의 다중 경로 페이딩 채널이다.
Figure pat00005
Is the received signal from the transmitting node Alice,
Figure pat00006
Is the receiving signal of the receiving node Bob,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
Is a white Gaussian noise,
Figure pat00009
Is a multipath fading channel between the transmitting node Alice and the receiving node Bob.

여기서, 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 간의 다중 경로 페이딩 채널

Figure pat00010
와 프로브 신호
Figure pat00011
간의 연산은 컨블루션(Convolution) 연산이다. Here, the multipath fading channel between the transmitting node Alice and the receiving node Bob
Figure pat00010
And probe signal
Figure pat00011
The operation of the liver is a convolution operation.

그리고, 채널들 간의 반전이(Half Duplex) 스위칭 시간 지연은 채널 환경의 코히어런스(coherence) 시간보다 작은 것으로 가정하면, 송수신 노드 Alice, Bob 간의 채널 정보는 비밀키 생성과 높은 상관 관계를 가진다. And, assuming that the half duplex switching time delay between channels is smaller than the coherence time of the channel environment, the channel information between the transmitting and receiving nodes Alice and Bob has a high correlation with the secret key generation.

한편, 도청 노드(Eve)는 시스템 작동 주파수의 1/2 파장 (l = 2) 이상의 거리에서 항상 도청한다고 가정하면, 송신 노드 Alice와 도청 노드 Eve 간의 채널 계수 hae 및 수신 노드 Alice와 도청 노드 Eve 간의 채널 계수 hbe는 송신 노드 Alice 또는 수신 노드 Bob의 채널 정보와 무관하고, 따라서 도청 노드(Eve)는 송신 노드(Alice) 또는 수신 노드(Bob) 간의 동일한 공동 비밀키를 생성할 수 없다.On the other hand, assuming that the eavesdropping node Eve always eavesdrops at a distance of 1/2 or more of the system operating frequency (l = 2), the channel coefficient hae between the transmitting node Alice and the eavesdropping node Eve and the receiving node Alice and the eavesdropping node Eve The channel coefficient hbe is independent of the channel information of the transmitting node Alice or the receiving node Bob, so the eavesdropping node Eve cannot generate the same common secret key between the transmitting node Alice or the receiving node Bob.

또한 각 노드의 이동성에 의해 발생하게 되는 채널의 시변특성 뿐만아니라 다중 경로 채널에 의해 발생하게 되는 주파수에 따른 채널변화특성이 고려된 페이딩 채널을 발생하기 위해 필터된 백색 가우시안 잡음 (FWGN) 모델과 탭 지연 라인 (TDL) 모델이 이용된다.In addition, a white Gaussian noise (FWGN) model and tap filtered to generate a fading channel considering channel change characteristics according to frequency generated by multipath channels as well as time-varying characteristics of channels generated by mobility of each node. A delay line (TDL) model is used.

이에 일 실시예의 무작위 추출부(100)는 이러한 다중 경로 페이딩 채널을 발생하는 기능을 수행한다.Accordingly, the random extraction unit 100 of one embodiment performs a function of generating such a multipath fading channel.

도 3은 송신 노드 Alice 및 수신 노드 Bob 간의 다중 경로 페이딩 채널 h(t)를 발생하는 과정을 보인 도면이다, 두 개의 백색 가우시안 잡음은 각각 도플러 스펙트럼 필터로 필터링 된 후 복소수를 구성하게 된다. 여기서, 도플러 스펙트럼 필터는 채널 h(t)이 시간 상관 특성을 갖도록 하는 기능을 수행한다. 한편, 채널 추정 및 하드웨어 잡음

Figure pat00012
는 부가 백색 가우시안 잡음으로 모델링된다.FIG. 3 is a diagram showing a process of generating a multipath fading channel h(t) between a transmitting node Alice and a receiving node Bob. The two white Gaussian noises are each filtered by a Doppler spectrum filter to form a complex number. Here, the Doppler spectrum filter performs a function such that the channel h(t) has time correlation characteristics. Meanwhile, channel estimation and hardware noise
Figure pat00012
Is modeled as additive white Gaussian noise.

이러한 부가 백색 가우시안 잡음으로 인해 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob에서 도출된 채널 계수

Figure pat00013
,
Figure pat00014
는 식 2로 모델링된다.Channel coefficients derived from the transmitting node Alice and the receiving node Bob due to the additional white Gaussian noise
Figure pat00013
,
Figure pat00014
Is modeled as Equation 2.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, 채널 계수

Figure pat00016
Figure pat00017
는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 각각의 불완전한 채널 추정치이다.
Figure pat00018
Figure pat00019
는 각각 제로 평균 복소수 가우시안 잡음
Figure pat00020
으로 정의되고,
Figure pat00021
는 분산이며, 다중 경로 페이딩 채널
Figure pat00022
는 탭 지연 라인 다중 경로 채널 시뮬레이터의 출력이다. Where channel coefficient
Figure pat00016
Wow
Figure pat00017
Is an incomplete channel estimate for each of the transmitting node Alice and the receiving node Bob.
Figure pat00018
Wow
Figure pat00019
Is zero mean complex Gaussian noise, respectively
Figure pat00020
Is defined as
Figure pat00021
Is distributed, multipath fading channel
Figure pat00022
Is the output of the tap delay line multipath channel simulator.

이에 채널 계수

Figure pat00023
,
Figure pat00024
는 두 개의 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 사이의 하드웨어 및 채널 잡음으로 인해 탭 지연 라인 다중 경로 페이딩 채널
Figure pat00025
에 제로 평균 복소수 가우시안 잡음
Figure pat00026
Figure pat00027
가 추가된다.Channel coefficient
Figure pat00023
,
Figure pat00024
Is a tap delay line multipath fading channel due to hardware and channel noise between the two transmitting nodes Alice and the receiving node Bob.
Figure pat00025
Zero mean complex Gaussian noise
Figure pat00026
And
Figure pat00027
Is added.

또한, 제로 평균 복소수 가우시안 잡음

Figure pat00028
Figure pat00029
각각은 비대칭 부가 가우시안 노이즈 프로세서에 의해 도출될 수 있다. 이러한 키 생성을 위한 채널 추정을 위해, 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 각각은 채널 정보를 획득하기 위해 파일롯 신호로 채널 프로브(Prove)한다.Also, zero mean complex Gaussian noise
Figure pat00028
Wow
Figure pat00029
Each can be derived by an asymmetric additive Gaussian noise processor. To estimate the channel for generating the key, each of the transmitting node Alice and the receiving node Bob probes the channel with a pilot signal to obtain channel information.

일 실시 예는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 의 채널 추출 시 나타난 비가역성(nonreciprocity effects)을 감소하기 위해, 불안전한 원시 채널 계수에 대해 전처리를 수행한다. 비가역성은 비통신 측정 및 송신/수신 시 하드웨어의 비대칭 발생으로 나타난다. 이러한 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob의 채널 추출 시 나타나는 비가역성이 감소되면, 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob의 채널 추정치 간의 상호 상관도가 향상되므로 키 생성 성능이 향상될 수 있다.In an embodiment, in order to reduce nonreciprocity effects when extracting channels of the transmitting node Alice and the receiving node Bob, preprocessing is performed on the unstable raw channel coefficients. Irreversibility is indicated by the occurrence of asymmetry in hardware during non-communication measurement and transmission/reception. When the irreversibleness that occurs when extracting the channel of the transmitting node Alice and the receiving node Bob is reduced, the cross-correlation between the channel estimation values of the transmitting node Alice and the receiving node Bob is improved, so that the key generation performance can be improved.

이에 무작위 추출부(100)에서 도출된 채널 계수들에 대해 채널 전처리부(200)는 비가역성을 감소하기 위해 고속 푸리에 변환 기법으로 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출할 수 있다. Accordingly, for the channel coefficients derived from the random extraction unit 100, the channel pre-processing unit 200 may derive an autocorrelation sequence vector using a fast Fourier transform technique to reduce irreversible.

즉, 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob에서 파일롯 신호로 채널 프로브하여 획득된 채널 계수 벡터

Figure pat00030
Figure pat00031
은 다음 식 3으로 주어진다.That is, the channel coefficient vector obtained by channel probe with the pilot signal from the transmitting node Alice and the receiving node Bob
Figure pat00030
Wow
Figure pat00031
Is given by the following equation 3.

[식 3][Equation 3]

Figure pat00032
Figure pat00032

여기서, m 은 획득된 채널 샘플 수이다.Here, m is the number of acquired channel samples.

이에 채널 전처리부(200)는 Wiener-Khintchine 정리에 이용하여 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 각각에 의해 측정된 m개의 불완전한 채널 샘플 에 대해 N개의 샘플로 구성되는 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n), n=1,2, ... , N 를 연산한다. 여기서, N 은 채널 샘플 길이 m 에 종속된 FFT(Fast Fourier Transform) 크기일 수도 있다.Accordingly, the channel pre-processing unit 200 uses the Wiener-Khintchine theorem to autocorrelate sequence vectors A(n), n composed of N samples for m incomplete channel samples measured by each of the transmitting node Alice and the receiving node Bob. =1,2, ..., N are calculated. Here, N may be a Fast Fourier Transform (FFT) size dependent on the channel sample length m.

도 4는 일 실시예의 채널 전처리 개념을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4를 참조하면, 일 실시 예는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob에서 획득된 채널 계수 벡터

Figure pat00033
Figure pat00034
를 입력으로 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)를 출력할 수 있다. 4 is a diagram for explaining the concept of channel pre-processing in one embodiment. Referring to FIG. 4, an embodiment is a channel coefficient vector obtained from the transmitting node Alice and the receiving node Bob.
Figure pat00033
Wow
Figure pat00034
Autocorrelation sequence vector A(n) may be output as an input.

즉, 단계4에서, 각 노드는 수신된 채널 시퀸스 벡터

Figure pat00035
,
Figure pat00036
에 대해 이산 푸리에 변환을 수행한 후 이산 푸리에 변환된 결과값에 대해 단계 5 및 6에서 역 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 즉, 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob에서 획득된 채널 계수 벡터
Figure pat00037
Figure pat00038
에 대한 고속 푸리에 변환을 통해 도출될 수 있다.That is, in step 4, each node receives the received channel sequence vector
Figure pat00035
,
Figure pat00036
After performing a discrete Fourier transform on, the inverse Fourier transform may be performed in steps 5 and 6 on the result of the discrete Fourier transform. That is, the autocorrelation sequence vector A(n) is a channel coefficient vector obtained from the transmitting node Alice and the receiving node Bob.
Figure pat00037
Wow
Figure pat00038
It can be derived through fast Fourier transform for.

그리고 각 노드 Alice, Bob 는 채널 전처리 과정을 통해 도출된 채널 계수 벡터의 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)는 정보 양자화부(300)로 전달되고 양자화부(300)는 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)에 대해 양자화 기법을 수행한다.And each node Alice, Bob is the auto-correlation sequence vector A(n) of the channel coefficient vector derived through the channel pre-processing process is transferred to the information quantization unit 300, and the quantization unit 300 is auto-correlation sequence vector A(n). Quantization technique is performed on.

널리 알려진 정보 양자화 기법으로는 Lossy-Quantization과 Lossless-Quantization의 두 가지 유형이 있으며, Lossy-Quantization의 정보 양자화 기법은 RSS 측정값의 중간값을 임계 레벨로 사용하고 임계 레벨에 가까운 채널 이득 시퀀스 벡터를 삭제하는 기법이다.There are two types of well-known information quantization techniques: Lossy-Quantization and Lossless-Quantization. Lossy-Quantization's information quantization technique uses the median value of the RSS measurement as a threshold level and uses a channel gain sequence vector near the threshold level. This is a deletion technique.

일 실시예에서 정보 양자화부(300)는 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)를 단일 임계 레벨을 기준으로 이진 벡터로 변환할 수 있다. In one embodiment, the information quantization unit 300 may convert the autocorrelation sequence vector A(n) into a binary vector based on a single threshold level.

즉 자기 상관 시퀀스 벡터 A(n)를 이진 벡터로 변환하여 예비키가 생성되고, 이에 양자화 기법은 다음 식 4로 주어진다. 이때 생성된 예비키는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 간에 동일하게 사용된다.That is, a preliminary key is generated by converting the autocorrelation sequence vector A(n) into a binary vector, and the quantization technique is given by Equation 4 below. At this time, the generated spare key is used equally between the transmitting node Alice and the receiving node Bob.

[ 식 4][Equation 4]

Figure pat00039
Figure pat00039

여기서, 단일 임계 레벨

Figure pat00040
는 다음 식 5로 주어진다.Where a single threshold level
Figure pat00040
Is given by the following equation 5.

[식 5][Equation 5]

Figure pat00041
Figure pat00041

여기서, α는 양자화 파라미터이고, 양자화 파라미터 α를 이용하여 임계 레벨

Figure pat00042
가 제어되며, σ는 A 의 샘플 값들의 표준 편차 값으로 정의된다.Here, α is a quantization parameter, and a threshold level using the quantization parameter α
Figure pat00042
Is controlled, and σ is defined as the standard deviation value of the sample values of A.

한편 채널 상호성에 의거 생성된 예비키는 동일하여야 하나 비 동시 전송 및 하드웨어 노이즈로 인해 불일치할 수 있다. 이에 임의의 시점에서의 키 불일치는 정보 조정부(400)를 통해 정정되어야 하고, 이에 따라 비밀키 동의율이 향상될 수 있다.Meanwhile, the spare key generated based on channel reciprocity must be the same, but may be inconsistent due to non-concurrent transmission and hardware noise. Accordingly, the key mismatch at any point of time must be corrected through the information adjustment unit 400, and accordingly, the agreement rate of the secret key may be improved.

이에 일 실시예는 정보 조정부(400)는 정보 양자화부(300)의 이진 벡터에 대해 LDPC(Low Density Parity Check) 코드, Turbo 코드, 캐스케이드, 또는 안전 스케치 중 하나의 정보 조정 기법으로 예비키의 비트 불일치를 조정할 수 있다. Accordingly, in one embodiment, the information adjustment unit 400 is a bit of a spare key as one of the information adjustment techniques of a low density parity check (LDPC) code, a turbo code, a cascade, or a safety sketch for a binary vector of the information quantization unit 300. The discrepancy can be adjusted.

우선 일 실시 예의 정보 조정부(400)는 LDPC(Low Density Parity Check) 코드를 적용하여 송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob)에 의거 생성된 예비 키의 비트 불일치를 수정하는 일련의 과정을 설명한다.First, the information adjustment unit 400 according to an embodiment describes a series of processes of correcting the bit mismatch of the spare key generated by the transmitting node Alice and the receiving node Bob by applying a low density parity check (LDPC) code. .

LDPC(Low Density Parity Check) 코드를 이용한 정보 조정Information adjustment using LDPC (Low Density Parity Check) code

송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob)에 의거 생성된 예비키의 비트 불일치를 수정하기 위해 오류 수정 코드가 적용된다. 즉, 오류 수정 코드(ECC) 중 LDPC (Low Density Parity Check) 코드를 사용하여 예비키의 불일치한 비트를 조정함에 따라, 송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob)는 동일한 예비키 Ka, Kb가 공유된다. 이때 예비키는 LDPC 코드가 추가되어 부호화된다.An error correction code is applied to correct the bit mismatch between the spare key generated by the transmitting node Alice and the receiving node Bob. That is, by adjusting the mismatched bits of the spare key using the LDPC (Low Density Parity Check) code among the error correction codes (ECC), the transmitting node Alice and the receiving node Bob have the same spare keys Ka and Kb. Is shared. At this time, the LDPC code is added to the spare key to be encoded.

도 5는 도 2의 정보 양자화부(300)에서 생성된 예비키를 불일치를 제거하기 위해 정보 조정하는 과정을 보인 블록도로서, 도 5를 참조하면, 정보 조정된 예비키 Ka는 코드워드 c를 인코딩한 다음 BPSK로 변조하여 공개 채널을 통해 수신 노드 Bob로 전송되고 수신 노드 Bob는 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키 Ka로 코드워드 c를 해독한다. 초기 KBDR(Key Bit Disaggreement Rate)이 오류 정정 코드의 오류 정정 능력보다 작은 경우 수신 노드 Bob 는 수신된 예비키로 코드워드를 성공적으로 디코딩할 수 있다.FIG. 5 is a block diagram showing a process of adjusting information to remove a mismatch between the spare key generated by the information quantization unit 300 of FIG. 2. Referring to FIG. 5, the information adjusted spare key Ka is codeword c After encoding, it is modulated by BPSK and transmitted to the receiving node Bob through the public channel, and the receiving node Bob decrypts the codeword c with the received spare key Ka using the Sum Product Algorithm (SPA). If the initial Key Bit Disaggreement Rate (KBDR) is less than the error correction capability of the error correction code, the receiving node Bob can successfully decode the codeword with the received spare key.

선형 블록 코드는 전송된 정보에 여분의 비트에 오류 수정 코드가 추가된다. 여분의 비트는 패리티 비트라고 하며 전송된 정보의 오류를 감지 및 수정하는데 사용된다. 즉, 선형 블록 코드

Figure pat00043
는 k 비트의 블록을 인코더에 대한 입력으로 받아들이고 n 개의 코딩 된 비트의 블록을 출력한다. 여기서
Figure pat00044
인 경우,
Figure pat00045
는 오류 검출 및 정정에 사용되는 패리티 비트의 수이고,
Figure pat00046
은 코드 비율이며, 코드 비율은 1/2로 설정된다.In the linear block code, an error correction code is added to the extra bits in the transmitted information. The extra bits are called parity bits and are used to detect and correct errors in transmitted information. I.e. linear block code
Figure pat00043
Accepts a block of k bits as input to the encoder and outputs a block of n coded bits. here
Figure pat00044
If it is,
Figure pat00045
Is the number of parity bits used for error detection and correction,
Figure pat00046
Is the code rate, and the code rate is set to 1/2.

도 5에서 G는 생성기 행렬이고 H는 패리티 체크 행렬로 각각 정의되며, 패리티 체크 행렬 H는 Gauss-Jordan Elimination 으로부터 획득될 수 있고, 패리티 체크 행렬은 다음 식 6으로 나타낸다. In FIG. 5, G is a generator matrix and H is each defined as a parity check matrix, and the parity check matrix H can be obtained from Gauss-Jordan Elimination, and the parity check matrix is represented by the following Equation 6.

[식 6][Equation 6]

Figure pat00047
Figure pat00047

여기서, A는 사이즈

Figure pat00048
의 2진 행렬이고,
Figure pat00049
Figure pat00050
의 아이덴티티 행렬이다. Where A is the size
Figure pat00048
Is the binary matrix of
Figure pat00049
The
Figure pat00050
Identity matrix.

이에 생성기 행렬 G는 다음과 식 7로 주어진다. The generator matrix G is given by Equation 7 below.

[식 7][Equation 7]

Figure pat00051
Figure pat00051

여기서, 패리티 체크 행렬 H는 H의 행 에셜론 연산이 적용되어 1보다 작은 수를 0보다 작게 만들고, 이에 LDPC 코드의 디코딩 복잡성이 감소된다. 코드워드 c는 비밀키 비트 K와 생성기 행렬 G의 곱으로 생성되며 다음 식 8를 만족한다.Here, the parity check matrix H is applied with the row echelon operation of H to make the number less than 1 smaller than 0, thereby reducing the decoding complexity of the LDPC code. The codeword c is generated as the product of the secret key bit K and the generator matrix G, and satisfies the following Equation 8.

[식 8][Equation 8]

Figure pat00052
Figure pat00052

LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드 c를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 사용하여 송신 노드의 신호를 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달한다.After encoding the codeword c to which the LDPC (Low Density Parity Check) is added, the signal of the transmitting node is modulated using BPSK (Binary Phase Shift Keying), and the modulated signal is transmitted to the receiving node using a public channel.

그리고 변조된 코드워드를 전달받은 수신 노드 Bob 는 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드 c를 디코딩한다.Then, the receiving node Bob, which has received the modulated codeword, decodes the codeword c to which the Low Density Parity Check (LDPC) has been added using the preliminary key received using the Sum Product Algorithm (SPA).

LDPC의 디코딩은 2개의 주요 반복 복호화 알고리즘, 즉 하드 결정 (hard-decision) 복호화 및 소프트 결정 복호화 중 하나로 수행된다. 패리티 검사 조건은

Figure pat00053
이면 유효한 코드워드 c 가 수신되거나 전송된 코드워드 c가 수신된 코드워드와 동일하다. 따라서 일 실시 예에서는 소프트 결정 복호화를 사용하고, 이에 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 수행한다.Decoding of LDPC is performed by one of two main iterative decoding algorithms, namely hard-decision decoding and soft-decision decoding. Parity check conditions
Figure pat00053
If it is, a valid codeword c is received or the transmitted codeword c is the same as the received codeword. Therefore, in one embodiment, soft decision decoding is used, and a Sum Product Algorithm (SPA) is performed.

합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)은 다음과 같이 정의된다.The Sum Product Algorithm (SPA) is defined as follows.

(1)

Figure pat00054
여기서, c 및 p는 각각 송수신된 코드워드이다.(One)
Figure pat00054
Here, c and p are codewords transmitted and received, respectively.

(2)

Figure pat00055
(
Figure pat00056
또는
Figure pat00057
의 쌍)는 메시지 노드
Figure pat00058
에 의해 체크 노드
Figure pat00059
로 전송된 메시지이고
Figure pat00060
또는
Figure pat00061
Figure pat00062
가 비트 0 또는 1 인 양이다. (2)
Figure pat00055
(
Figure pat00056
or
Figure pat00057
Pair of message nodes
Figure pat00058
Checked by node
Figure pat00059
Is a message sent to
Figure pat00060
or
Figure pat00061
The
Figure pat00062
Is a bit with bit 0 or 1.

(3)

Figure pat00063
는 체크 노드
Figure pat00064
에 의해 변수 노드
Figure pat00065
로 전송된 메시지이고,
Figure pat00066
Figure pat00067
Figure pat00068
가 비트 0 또는 1 으로 현재 또는 업데이트된 양이다. (3)
Figure pat00063
Is a check node
Figure pat00064
By variable node
Figure pat00065
Message sent to,
Figure pat00066
Wow
Figure pat00067
The
Figure pat00068
Is the current or updated amount with bits 0 or 1.

이러한 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)의 정의에 의거 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm) 기법은 다음 단계로 진행된다.Based on the definition of the Sum Product Algorithm (SPA), the Sum Product Algorithm (SPA) technique proceeds to the next step.

1) 제1 단계: 모든 변수 노드에

Figure pat00069
메시지를
Figure pat00070
로 전송한다.1) Step 1: All variable nodes
Figure pat00069
Message
Figure pat00070
Transfer to.

2) 제2 단계: 노드가 자신의 응답

Figure pat00071
를 다음 식 9 및 10으로부터 도출될 수 있다.2) Step 2: The node's response
Figure pat00071
Can be derived from the following equations 9 and 10.

[식 9][Equation 9]

Figure pat00072
Figure pat00072

[식 10][Equation 10]

Figure pat00073
Figure pat00073

3) 제3 단계: 메시지 노드는 다음 식 11 및 12를 이용하여 검사 노드에 대한 응답 메시지를 갱신한다.3) Step 3: The message node updates the response message to the check node using the following equations 11 and 12.

[식 11][Equation 11]

Figure pat00074
Figure pat00074

[식 12][Equation 12]

Figure pat00075
Figure pat00075

여기서,

Figure pat00076
Figure pat00077
를 만족하는 상수이다.here,
Figure pat00076
The
Figure pat00077
Is a constant that satisfies.

4) 제4 단계: 코드워드 c 의 비트가 0 또는 1 일 확률을 추정하고 더 높은 확률을 갖는 비트를 선택하여 현재 상태의 코드워드 c 를 업데이트한다4) Step 4: Estimate the probability that the bit of the codeword c is 0 or 1 and update the codeword c of the current state by selecting the bit with the higher probability.

여기서, 확률은 다음 식 13 및 식 14로 주어진다.Here, the probability is given by the following equations 13 and 14.

[식 13][Equation 13]

Figure pat00078
Figure pat00078

[식 14][Equation 14]

Figure pat00079
Figure pat00079

여기서, 확률값이

Figure pat00080
이 되면, 코드워드 c는 1이고, 아니면 코드워드 c는 0이다.Where the probability value
Figure pat00080
In this case, codeword c is 1, or codeword c is 0.

5) 제5 단계: 패리티 검사

Figure pat00081
인 지를 체크한다. 즉,
Figure pat00082
이면, 디코딩이 성공한 것으로 판단되고 그렇지 아니하면 제2 단계로 반복 진행하거나 반복 횟수가 기 정해진 설정치에 도달하면 디코딩이 실패한 것으로 판단된다.5) Step 5: Parity check
Figure pat00081
Check the recognition. In other words,
Figure pat00082
If this is the case, it is determined that the decoding is successful, otherwise, it is determined that the decoding has failed when iteratively proceeds to the second step or the number of repetitions reaches a predetermined set value.

안전 스케치 기법을 이용한 정보 조정Coordination of information using safety sketching techniques

도 6은 안전 스케치 기법의 개념을 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면, 단계 2에서 일 실시예의 송신 노드 Alice는 에러 보정 코드 C로부터 랜덤 코드워드 c를 선택하고, 선택된 예비키 Ka와 선택된 코드워드 c에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬 s를 연산하고, 신드롬 s를 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드 Bob로 전달한다.FIG. 6 is a view showing the concept of the safety sketching technique. Referring to FIG. 6, in step 2, the transmitting node Alice in one embodiment selects a random codeword c from the error correction code C, and selects the reserved key Ka and the selected codeword. Syndrome s is computed by performing an exclusive OR on c, the syndrome s is modulated by BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique, and then transmitted to the receiving node Bob using a public channel.

단계 3에서, 일 실시 예의 수신 노드 Bob은 수신된 신트롬 s와 생성된 예비키 Kb에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬 s를 제거한 코드워드 cb를 출력한 다음 코드워드 cb를 복호화하여 랜덤 코드워드 c를 복구함에 따라 코드워드

Figure pat00083
를 도출한다. 그리고 수신 노드 Bob은 예비키 Ka를 복호화한 다음 코드워드
Figure pat00084
와 신드롬 s와의 배타적 논리합을 통해 불일치가 조정된 예비키
Figure pat00085
를 도출한다. In step 3, the receiving node Bob in one embodiment outputs a codeword cb with the syndrome s removed by performing an exclusive OR on the received syndrome s and the generated spare key Kb, and then decodes the codeword cb to decode the random codeword c Codeword as it recovers
Figure pat00083
To derive. And the receiving node Bob decrypts the spare key Ka, and then the codeword
Figure pat00084
And key s are adjusted through an exclusive OR between the syndrome and s
Figure pat00085
To derive.

송신 노드 Alice의 신드롬을 계산하는 데 사용한 정확한 임의 코드 워드를 수신 노드 Bob에서 복구 할 수 있을 때 (즉,

Figure pat00086
= c ) 완전하게 예비키의 불일치가 조정된다. 결과적으로 수신 노드 Bob은 송신 노드 Alice와 동일한 키를 추출하게 된다.When the receiving node Bob can recover the exact random code word used to calculate the syndrome of the sending node Alice (i.e.
Figure pat00086
= c) The mismatch of the spare key is completely adjusted. As a result, the receiving node Bob extracts the same key as the transmitting node Alice.

일 실시예는 예비키의 비트 불일치가 조정된 예비키는 프라이버시 증폭부(500)로 전달된다.In one embodiment, the spare key in which the bit mismatch of the spare key is adjusted is transmitted to the privacy amplification unit 500.

즉 프라이버시 증폭부(500)는 정보 조정 중에 일부 정보가 도청 노드(Eve)에게 유출되며 생성된 예비키에서 유출된 정보를 제거하여 비밀키를 생성함에 따라 감소된 길이로 생성된 비밀키의 엔트로피가 증가된다. 프라이버시 증폭 기법은 널리 알려진 해시 함수를 이용하여 수행된다.In other words, the privacy amplification unit 500 has the entropy of the secret key generated with a reduced length as some information is leaked to the eavesdropping node (Eve) during information adjustment and the secret key is generated by removing the leaked information from the generated spare key. Is increased. The privacy amplification technique is performed using a well-known hash function.

키 생성 시스템의 성능에 대한 시뮬레이션 결과Simulation results for the performance of the key generation system

비밀키 생성 시스템의 성능을 평가하기 위해 키 생성율(KAR: Key Agreement Rate), 키 비트 불일치 율(KBDR: Key Bit Disagreement Rate), 및 임의성(Randomness)에 대한 각각의 항목이 필요하다.In order to evaluate the performance of the secret key generation system, respective items for key agreement rate (KAR), key bit disagreement rate (KBDR), and randomness are required.

한편, 키 비트 불일치 율 KBDR은 송신 노드(Alice)와 수신 노드(Bob)에서 생성된 비밀키 사이에 불일치하는 비트 수와 생성된 키 길이의 비율이고 다음 식 15로 정의된다.On the other hand, the key bit mismatch rate KBDR is the ratio of the number of bits mismatched between the secret key generated at the transmitting node Alice and the receiving node Bob and the length of the generated key, which is defined by Equation 15 below.

[식 15][Equation 15]

Figure pat00087
Figure pat00087

여기서,

Figure pat00088
는 비밀키의 길이이고,
Figure pat00089
는 생성된 키의 총 수이다.]here,
Figure pat00088
Is the length of the secret key,
Figure pat00089
Is the total number of keys generated.]

한편, 키 생성율 KAR은 노드 Alice, Bob 에 의해 생성된 동일 키들 수의 확률이다.Meanwhile, the key generation rate KAR is a probability of the same number of keys generated by nodes Alice and Bob.

비밀키 생성 시스템의 효율성으로 단위 시간당 생성되는 키의 수를 나타낸다. 키 생성율 KAR이 높을수록 데이터 보호를 위한 비밀키의 생성 속도가 빨라진다. 키 생성율 KAR은 다음 식 16으로 도출된다. The efficiency of the secret key generation system indicates the number of keys generated per unit time. The higher the key generation rate KAR, the faster the generation of the secret key for data protection. The key generation rate KAR is derived by the following equation (16).

[식 16][Equation 16]

Figure pat00090
Figure pat00090

여기서,

Figure pat00091
는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob에서 추출된 동일한 키의 수,
Figure pat00092
는 생성된 키의 총 수이다.here,
Figure pat00091
Is the number of identical keys extracted from the sending node Alice and the receiving node Bob,
Figure pat00092
Is the total number of keys generated.

그리고 임의성(randomness)는 생성 된 키가 얼마나 무작위인지를 나타내는 테스트하는 항목으로서, 임의성 테스트 기법은 NIST (National Institute of Standard and Technology)에서 제공되며, NIST는 Random Number Generators 및 Pseudo Random Number Generators의 난수를 테스트하는데 사용된다. 이에 키 생성 역시 난수 생성기의 한 형태이기 때문에 NIST 테스트를 사용하여 임의성이 획득된다.And randomness is a test item indicating how random the generated key is, and the randomness test technique is provided by the National Institute of Standard and Technology (NIST), and NIST is used to measure the random numbers of Random Number Generators and Pseudo Random Number Generators. Used for testing. Therefore, since the key generation is also a form of a random number generator, randomness is obtained using the NIST test.

이에 일 실시 예에서는 채널 전처리부(200) 없이 원시 채널 추정치를 직접 양자화하는 방법과 채널 전처리부(200)를 이용하여 채널 추정치의 자기 상관 시퀀스 벡터를 계산하고 이를 양자화하는 두 방법의 성능을 비교 평가한다. 이때 MATLAB에서 몬테카를로 시뮬레이션을 토대로 획득된 키 비트 불일치 율(KBDR) 및 키 일치 률(KAR: Key Agreement Rate) 기반으로 키 생성 알고리즘에 대한 성능 평가가 수행된다.Accordingly, in one embodiment, the performance of two methods of directly quantizing a raw channel estimate without the channel pre-processing unit 200 and the autocorrelation sequence vector of the channel estimation using the channel pre-processing unit 200 and quantizing it are compared and evaluated. do. At this time, performance evaluation of the key generation algorithm is performed based on the key bit mismatch rate (KBDR) and the key agreement rate (KAR) obtained based on the Monte Carlo simulation in MATLAB.

이를 위해, 무선 통신 장비는 주파수 2.4 GHz에서 동작하는 TDD 통신 시스템이고 채널 환경에서의 움직임은 3 km / h과 30 km / h의 속도라고 가정하면 채널 이득은 0.1 밀리 초 샘플이며 모든 채널 측정에 대해 100,000 개의 키가 생성되며, 키 생성하는 각 파라미터는 다음 표 1에 도시된 바와 같다. To this end, assuming that the wireless communication equipment is a TDD communication system operating at a frequency of 2.4 GHz and the movement in the channel environment is speeds of 3 km/h and 30 km/h, the channel gain is 0.1 millisecond sample and for all channel measurements 100,000 keys are generated, and each parameter to generate keys is as shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00093
Figure pat00093

일 실시예는 송신 노드 Alice와 수신 노드 Bob 간의 채널 계수

Figure pat00094
,
Figure pat00095
를 생성하고, 여기서
Figure pat00096
는 다중 경로 페이딩 채널이다. In one embodiment, the channel coefficient between the transmitting node Alice and the receiving node Bob
Figure pat00094
,
Figure pat00095
Create, where
Figure pat00096
Is a multipath fading channel.

탭 지연 라인 다중 경로 페이딩 채널

Figure pat00097
은 필터링 된 백색 가우시안 노이즈 (FWGN) 모델을 이용하여 서로 독립적인 (수평의 평균 전력으로) 여러 개의 주파수 비 선택적 (플랫) 페이딩 샘플을 생성하고, TDL 모델을 이용하여 독립적인 평탄한 페이딩 채널 샘플의 7 개의 탭에 대해 하기 표 2에 주어진 각각의 탭 전력을 곱한 다음 합산하여 도출된다. Tap delay line multipath fading channel
Figure pat00097
Generates multiple frequency non-selective (flat) fading samples that are independent of each other (with a horizontal average power) using a filtered white Gaussian noise (FWGN) model, and 7 of the independent flat fading channel samples using a TDL model. It is derived by multiplying each tap power given in Table 2 below for the taps and then adding them up.

[표 2][Table 2]

Figure pat00098
Figure pat00098

여기서 7개의 모든 채널 경로는 Jake의 고전적인 도플러 스펙트럼을 사용하여 다중 경로 환경에서의 움직임으로 모델링된다.Here, all seven channel paths are modeled as motion in a multipath environment using Jake's classical Doppler spectrum.

이에 고전 도플러 스펙트럼은 다음 식 17에 의해 정의됩니다.The classical Doppler spectrum is defined by Equation 17 below.

[식 17][Equation 17]

Figure pat00099
Figure pat00099

여기서,

Figure pat00100
는 채널의 최대 도플러 주파수이다.here,
Figure pat00100
Is the maximum Doppler frequency of the channel.

일 실시예는 모든 채널 계수 벡터에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터로 변환한 다음 변환된 자기 상관 시퀀스 벡터를 양자화하여 이진 벡터의 예비키를 생성하고, 생성된 예비키에 대해 안전 스케치를 수행하여 비트 불일치를 조정한다.In one embodiment, all channel coefficient vectors are converted into an autocorrelation sequence vector, and then the transformed autocorrelation sequence vector is quantized to generate a preliminary key of the binary vector, and a safety sketch is performed on the generated preliminary key to perform bit mismatch. Adjust.

이러한 안전 스케치 기법은 송신 노드 Alice의 예비키는 올바른 비밀키로 수신 노드 Bob에서 송신 노드 Alice의 키를 복구하는데 사용된다. 즉, 코드워드 c는 오류 수정 코드 C에서 랜덤하게 선택되며, 송신 노드 Alice의 초기 비밀키와 배타적 논리합되어 신드롬 s를 생성한다. 이러한 코드워드 c는 BPSK 변조되어 공개 채널을 통해 수신 노드 Bob로 전달된다. 수신 노드 Bob에 수신된 신드롬 s은 디코딩되어 송신 노드 Alice에서 생성된 예비키를 복구하는데 사용된다. This safety sketching technique is used to recover the sending node Alice's key from the receiving node Bob with the correct secret key of the sending node Alice. That is, the codeword c is randomly selected from the error correction code C, and is exclusively logically combined with the initial secret key of the transmitting node Alice to generate the syndrome s. This codeword c is BPSK modulated and transmitted to the receiving node Bob through the public channel. The syndrome s received at the receiving node Bob is decoded and used to recover the spare key generated at the transmitting node Alice.

도 7은 반송파 2.4GHz과 3 Km/h의 상대 터미널 속도이고, 양자화 파라미터 α=0.3 일 때 각 노드 Alice, Bob 간의 KBDR를 보인 그래프로서, 도 7을 참조하면, 일 실시 예의 KBDR은 전처리된 채널 계수로부터 생성된 예비키가 원시 채널 계수를 예비키로 양자화하는 기존의 KBDR 보다 향상됨을 확인할 수 있고, 안전 스케치기법을 이용하여 정보 정정 후 KBDR이 크게 감소됨을 알 수 있다. 7 is a graph showing a carrier terminal 2.4 GHz and a relative terminal speed of 3 Km/h, and a KBDR between each node Alice and Bob when the quantization parameter α=0.3, referring to FIG. 7, the KBDR of an embodiment is a preprocessed channel It can be seen that the preliminary key generated from the coefficient is improved over the existing KBDR that quantizes the raw channel coefficient into the preliminary key, and it can be seen that the KBDR is greatly reduced after correcting the information using the safety sketching technique.

도 8은 반송파 주파수 2.4GHz과 3 Km/h의 상대 터미널 속도이고, 양자화 파라미터 α=0.3 일 때 각 노드 Alice와 Bob 간의 KAR을 보인 그래프로서, 도 8을 참조하면, 공개 채널인 AWGN을 사용한 안전 스케치 기법을 수행하여 예비키의 비트 불일치를 제거하는 일 실시 예의 KAR은 기존의 Rayleigh 다중 경로 페이딩 채널을 통해 전송될 때보다 향상됨을 확인할 수 있다.8 is a graph showing a KAR between each node Alice and Bob when the carrier frequency is 2.4 GHz and a relative terminal speed of 3 Km/h, and the quantization parameter α=0.3. Referring to FIG. 8, safety using an open channel AWGN It can be seen that the KAR of an embodiment in which a bit mismatch of a spare key is performed by performing a sketching technique is improved than when transmitted through an existing Rayleigh multipath fading channel.

예를 들어, 2.4GHz의 반송파 주파수와 3km / h의 각 노드 Alice와 Bob 간의 상대 터미널 속도에 대해 일 실시예의 KAR은 20dB의 SNR에서 70 % 달성될 수 있고, 이는 각 노드 Alice와 Bob이 20dB에서 작동할 때 생성된 100 개의 키 중 70 개의 키를 사용하여 통신을 보호 할 수 있음을 의미한다. 뿐만 아니라 전처리과정과 정보 조정과정을 모두 수행할 경우 0 dB SNR환경 에서도 100 % KAR 달성이 가능하다.For example, for a carrier frequency of 2.4 GHz and a relative terminal speed between each node Alice and Bob at 3 km/h, the KAR in one embodiment can be achieved at 70% at an SNR of 20 dB, which means that each node Alice and Bob at 20 dB. It means that communication can be secured using 70 keys out of 100 keys generated during operation. In addition, 100% KAR can be achieved even in the 0 dB SNR environment when both the pre-processing and the information adjustment process are performed.

도 9 및 도 10은 반송파 주파수 2.4GHz과 30 Km/h의 상대 터미널 속도이고, 양자화 파라미터 α=0.3 일 때 각 노드 Alice와 Bob 간의 KAR 및 KBDR을 보인 그래프들로서, 도 9 및 10을 참조하면, 도 7 및 도 8에 도시된 반송파 주파수 2.4GHz과 30 Km/h의 상대 터미널 속도이고, 양자화 파라미터 α=0.3 일 때와 비교하여 다소 저하됨을 알 수 있으나, 이는 높은 이동성 또는 채널의 변동으로 인해 더 작은 채널 코히어런스 시간으로 기인된다.9 and 10 are graphs showing KAR and KBDR between each node Alice and Bob when the carrier frequency is 2.4 GHz and a relative terminal speed of 30 Km/h, and the quantization parameter α = 0.3. Referring to FIGS. 9 and 10, It can be seen that the carrier frequency shown in FIGS. 7 and 8 is a relative terminal speed of 2.4 GHz and 30 Km/h, and is somewhat deteriorated compared to when the quantization parameter α=0.3, but this is more due to high mobility or channel fluctuation. This is due to the small channel coherence time.

이에 일 실시예는 TDD 무선 채널 환경에서 채널 계수의 자기 상관 시퀀스를 양자화하여 예비키를 생성하고 생성된 예비키의 비트 불일치를 안전 스케치 또는 LDPC(Low Density Parity Check)를 이용하여 정보 조정하고 해시 함수를 이용하여 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키 생성함에 따라 낮은 키 비트 불일치 율 (KBDR) 및 키 일치 율(KAR)을 획득할 수 있고, 채널 조건의 개선에 따라 안전 스케치 기법으로 정보 조정의 성능을 향상시킬 수 있으며, 신호대 잡음 비(SNR)가 0 dB 이상인 경우 생성된 모든 키의 정보 조정이 가능하다.Accordingly, an embodiment generates a spare key by quantizing an auto-correlation sequence of channel coefficients in a TDD radio channel environment, adjusts the information of the bit mismatch of the generated spare key using a safety sketch or a low density parity check (LDPC), and hash function. As the secret key is generated by performing privacy amplification, a low key bit mismatch rate (KBDR) and a key match rate (KAR) can be obtained, and the performance of information adjustment is improved by the safety sketching technique according to the improvement of channel conditions. If the signal-to-noise ratio (SNR) is 0 dB or more, information on all the generated keys can be adjusted.

양방향 통신을 수행하는 송신 노드 및 수신 노드와, 송수신 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드를 포함하는 무선 장비의 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 방법은 상기 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 채널 계수를 도출하는 무작위 추출단계; 도출된 채널 계수에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하는 채널 전처리단계; 채널 전처리부의 자기 상관 시퀀스 벡터를 이진 벡터로 양자화하여 예비키를 생성하는 예비키 생성단계; 생성된 예비키의 비트 불일치를 LDPC(Low Density Parity Check)로 조정하는 정보 조정단계; 및 상기 비트 불일치가 조정된 예비키에 대해 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키를 생성하는 비밀키 생성단계를 포함하고, 여기서, 상기 채널 전처리단계는 도출된 채널 계수에 대해 고속 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 통해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하도록 구비될 수 있고, 상기 정보 조정단계는 송신 노드에서, 오류 정정 코드 중 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 통해 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고, 수신 노드에서, 변조된 코드워드에 대해 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 디코딩하고 코드워드가 완전하게 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있다.A method for generating a common secret key for secure wireless communication of a wireless device including a transmitting node and a receiving node performing bidirectional communication, and a wiretapping node for eavesdropping communication between the transmitting and receiving nodes is provided in the transmitting node and is provided between the transmitting node and the receiving node. A random extraction step of deriving channel coefficients between links and downlinks; A channel preprocessing step of deriving an autocorrelation sequence vector for the derived channel coefficients; A pre-key generation step of quantizing the auto-correlation sequence vector of the channel pre-processor into a binary vector to generate a pre-key; An information adjustment step of adjusting the bit mismatch of the generated spare key with LDPC (Low Density Parity Check); And a secret key generation step of generating a secret key by performing a privacy amplification on the spare key in which the bit mismatch is adjusted, wherein the channel pre-processing step performs fast Fourier transform and inverse Fourier transform on the derived channel coefficients. It may be provided to derive an autocorrelation sequence vector, and the information adjustment step encodes a codeword to which an LDPC (Low Density Parity Check) is added among error correction codes in a transmitting node, and then performs BPSK (Binary Phase Shift Keying). LDPC (modulated signal) is transmitted to the receiving node using a public channel, and the received node is used as a preliminary key received using a Sum Product Algorithm (SPA) for the modulated codeword. Low Density Parity Check) may be provided to decode the added codeword and adjust the information until the codeword is completely recovered.

또한, 상기 정보 조정단계는 송신 노드에서 에러 보정 코드로부터 랜덤 코드워드를 선택하고, 선택된 예비키와 선택된 코드워드에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬을 연산하고, 신드롬을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고, 수신 노드에서, 수신된 신트롬과 생성된 예비키에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬이 제거된 코드워드를 출력한 다음 코드워드를 복호화하여 랜덤 코드워드가 완전히 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비될 수 있으며, 상기의 비밀키 생성 방법의 각 단계는 전술한 무작위 추출부(100), 채널 전처리부(200), 예비키 생성부(300), 정보 조정부(400), 및 프라이버시 증폭부(500)에서 수행되는 기능으로 자세한 원용은 생략한다. In addition, the information adjustment step selects a random codeword from the error correction code at the transmitting node, performs an exclusive OR on the selected spare key and the selected codeword to calculate the syndrome, and the syndrome is a BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique. After modulating to, it is transmitted to the receiving node using a public channel, and the receiving node performs an exclusive OR on the received syndrome and the generated spare key to output the codeword from which the syndrome is removed, and then decodes the codeword. It may be provided to adjust the information until the random codeword is completely recovered, each step of the secret key generation method described above is the random extraction unit 100, the channel pre-processing unit 200, the spare key generation unit 300 , The information adjustment unit 400, and the function performed by the privacy amplification unit 500, the detailed reference is omitted.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되 거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거 나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명 된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the embodiments have been described by a limited embodiment and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and/or components such as the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form from the described method, or other configurations. Appropriate results can be achieved even if replaced or substituted by urea or equivalent. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims to be described later, but also by the claims and equivalents.

TDD 무선 채널 환경에서 채널 계수의 자기 상관 시퀀스를 양자화하여 예비키를 생성하고 생성된 예비키의 비트 불일치를 안전 스케치 또는 LDPC(Low Density Parity Check)를 이용하여 정보 조정하고 해시 함수를 이용하여 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키 생성함에 따라 낮은 키 비트 불일치 율(KBDR) 및 키 일치 율(KAR)을 획득할 수 있고, 채널 조건의 개선에 따라 안전 스케치 기법으로 정보 조정의 성능을 향상시킬 수 있으며, 신호대 잡음 비(SNR)가 12dB 이상인 경우 생성된 모든 키의 정보 조정이 가능한 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보 를 가져올 수 있으며, 무선 통신 서비스를 제공하는 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업 상 이용가능성이 있는 발명이다.In a TDD radio channel environment, a self-correlation sequence of channel coefficients is quantized to generate a spare key, and the bit mismatch of the generated spare key is adjusted with information using a safety sketch or low density parity check (LDPC), and privacy amplification using a hash function. By performing the secret key generation, it is possible to obtain a low key bit mismatch rate (KBDR) and a key match rate (KAR), and according to the improvement of channel conditions, the safety sketching technique can improve the performance of information coordination. If the noise ratio (SNR) is more than 12dB, it can bring a great improvement in terms of the accuracy and reliability of operation of the secret key generation system and method for secure wireless communication that can adjust the information of all generated keys. In addition, it is an invention with industrial applicability since it is not only sufficient or commercially available for commercial or commercial operation of a system for providing wireless communication services.

Claims (9)

양방향 통신을 수행하는 송신 노드 및 수신 노드와, 송수신 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드를 포함하는 무선 장비에 있어서,
상기 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 채널 계수를 도출하는 무작위 추출부;
상기 무작위 추출부의 채널 계수에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하는 채널 전처리부;
상기 채널 전처리부의 자기 상관 시퀀스 벡터를 이진 벡터로 양자화하여 예비키를 생성하는 예비키 생성부;
생성된 예비키의 비트 불일치를 LDPC(Low Density Parity Check)로 조정하는 정보 조정부; 및
상기 비트 불일치가 조정된 예비키에 대해 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키를 생성하는 비밀키 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템.
A wireless device comprising a transmitting node and a receiving node performing bidirectional communication, and a wiretapping node for eavesdropping communication between the transmitting and receiving nodes,
A random extraction unit provided in the transmitting node and deriving channel coefficients between uplink and downlink between the transmitting node and the receiving node;
A channel pre-processor for deriving an autocorrelation sequence vector for the channel coefficients of the random extractor;
A pre-key generator for quantizing the auto-correlation sequence vector of the channel pre-processor into a binary vector to generate a pre-key;
An information adjusting unit that adjusts the bit mismatch of the generated spare key with LDPC (Low Density Parity Check); And
And a secret key generator configured to generate a secret key by performing a privacy amplification on the spare key in which the bit mismatch is adjusted.
제1항에 있어서, 상기 채널 전처리부는,
도출된 채널 계수에 대해 고속 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 통해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템.
The method of claim 1, wherein the channel pre-processing unit,
A secret key generation system for secure wireless communication, characterized in that it is provided to derive an autocorrelation sequence vector through a fast Fourier transform and an inverse Fourier transform on the derived channel coefficients.
제2항에 있어서, 상기 정보 조정부는,
송신 노드에서, 오류 정정 코드 중 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 통해 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,
수신 노드에서, 변조된 코드워드에 대해 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 디코딩하고 코드워드가 완전하게 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템.
The method of claim 2, wherein the information adjustment unit,
At the transmitting node, the codeword to which the LDPC (Low Density Parity Check) is added among the error correction codes is encoded and then modulated through BPSK (Binary Phase Shift Keying), and the modulated signal is transmitted to the receiving node using a public channel. ,
At the receiving node, the codeword to which the Low Density Parity Check (LDPC) is added is decoded by using the preliminary key received using the Sum Product Algorithm (SPA) for the modulated codeword, and the codeword is completely recovered. Secret key generation system for secure wireless communication, characterized in that provided to adjust the information until.
제2항에 있어서, 상기 정보 조정부는,
송신 노드에서 에러 보정 코드로부터 랜덤 코드워드를 선택하고, 선택된 예비키와 선택된 코드워드에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬을 연산하고, 신드롬을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,
수신 노드에서, 수신된 신트롬과 생성된 예비키에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬이 제거된 코드워드를 출력한 다음 코드워드를 복호화하여 랜덤 코드워드가 완전히 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템.
The method of claim 2, wherein the information adjustment unit,
At the transmitting node, a random codeword is selected from the error correction code, an exclusive OR is performed on the selected spare key and the selected codeword to calculate the syndrome, the syndrome is modulated by BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique, and then the public channel is To the receiving node,
The receiving node is provided to adjust the information until the random codeword is completely recovered by outputting the codeword from which the syndrome has been removed by performing an exclusive OR on the received syndrome and the generated spare key. A secret key generation system for secure wireless communication.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 프라이버시 증폭부는,
송신 노드와 수신 노드 간의 해시 함수를 이용하여 예비키 중 도청 노드에 노출된 정보를 제거하여 비밀키를 생성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 시스템.
The method of claim 3 or 4, wherein the privacy amplification unit,
A secret key generation system for secure wireless communication, characterized in that it is provided to generate a secret key by removing information exposed to a wiretapping node from a spare key by using a hash function between a transmitting node and a receiving node.
양방향 통신을 수행하는 송신 노드 및 수신 노드와, 송수신 노드 간의 통신을 도청하는 도청 노드를 포함하는 무선 장비의 보안 무선 통신을 위한 공통 비밀키 생성 방법에 있어서,
상기 송신 노드에 마련되어 송신 노드와 수신 노드 간의 업 링크 및 다운 링크 간 채널 계수를 도출하는 무작위 추출단계;
도출된 채널 계수에 대해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하는 채널 전처리단계;
채널 전처리부의 자기 상관 시퀀스 벡터를 이진 벡터로 양자화하여 예비키를 생성하는 예비키 생성단계
생성된 예비키의 비트 불일치를 LDPC(Low Density Parity Check)로 조정하는 정보 조정단계; 및
상기 비트 불일치가 조정된 예비키에 대해 프라이버시 증폭을 수행하여 비밀키를 생성하는 비밀키 생성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 방법.
A method for generating a common secret key for secure wireless communication of a wireless device including a transmitting node and a receiving node performing bidirectional communication, and a wiretapping node for eavesdropping communication between the transmitting and receiving nodes,
A random extraction step provided in the transmitting node to derive channel coefficients between uplink and downlink between the transmitting node and the receiving node;
A channel preprocessing step of deriving an autocorrelation sequence vector for the derived channel coefficients;
A preliminary key generation step of generating a preliminary key by quantizing the autocorrelation sequence vector of the channel preprocessor into a binary vector
An information adjustment step of adjusting the bit mismatch of the generated spare key with LDPC (Low Density Parity Check); And
And a secret key generation step of generating a secret key by performing a privacy amplification on the bit mismatch adjusted spare key.
제6항에 있어서, 상기 채널 전처리단계는
도출된 채널 계수에 대해 고속 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환을 통해 자기 상관 시퀀스 벡터를 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 방법.
The method of claim 6, wherein the channel pre-processing step
A method of generating a secret key for secure wireless communication, characterized in that it is provided to derive an autocorrelation sequence vector through a fast Fourier transform and an inverse Fourier transform on the derived channel coefficients.
제7항에 있어서, 상기 정보 조정단계는
송신 노드에서, 오류 정정 코드 중 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 인코딩한 다음 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 통해 변조하고, 변조된 신호를 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,
수신 노드에서, 변조된 코드워드에 대해 합계 산술 알고리즘(SPA: Sum Product Algorithm)을 사용하여 수신된 예비키로 이용하여 LDPC(Low Density Parity Check)가 부가된 코드워드를 디코딩하고 코드워드가 완전하게 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 방법.
The method of claim 7, wherein the information adjustment step
At the transmitting node, the codeword to which LDPC (Low Density Parity Check) is added among the error correction codes is encoded, then modulated through BPSK (Binary Phase Shift Keying), and the modulated signal is transmitted to the receiving node using a public channel. ,
At the receiving node, decode the codeword to which the Low Density Parity Check (LDPC) is added by using the preliminary key received using the Sum Product Algorithm (SPA) for the modulated codeword, and the codeword is completely recovered. Secret key generation method for secure wireless communication, characterized in that provided to adjust the information until.
제7항에 있어서, 상기 정보 조정단계는
송신 노드에서 에러 보정 코드로부터 랜덤 코드워드를 선택하고, 선택된 예비키와 선택된 코드워드에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬을 연산하고, 신드롬을 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 기법으로 변조한 다음 공개 채널을 이용하여 수신 노드로 전달하고,
수신 노드에서, 수신된 신트롬과 생성된 예비키에 대해 배타적 논리합을 수행하여 신드롬이 제거된 코드워드를 출력한 다음 코드워드를 복호화하여 랜덤 코드워드가 완전히 복구될 때까지 정보 조정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 보안 무선 통신을 위한 비밀키 생성 방법.
The method of claim 7, wherein the information adjustment step
At the transmitting node, a random codeword is selected from the error correction code, an exclusive OR is performed on the selected spare key and the selected codeword to calculate the syndrome, the syndrome is modulated by BPSK (Binary Phase Shift Keying) technique, and then the public channel is To the receiving node,
The receiving node is provided to adjust the information until the random codeword is completely recovered by outputting the codeword from which the syndrome has been removed by performing an exclusive OR on the received syndrome and the generated spare key. A method of generating a secret key for secure wireless communication.
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