KR20200078817A - 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 이용한 보안 통신 장치 및 그 방법 - Google Patents

상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 이용한 보안 통신 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 안테나 환경에서 적법 송신기와 적법 수신기 간의 메인 채널과 적법 송신기와 도청자 간의 도청 채널 사이에 상관관계가 존재할 때, 보안 전송률을 향상시킬 수 있는 보안 통신 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상기 적법 송신기에서 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계, 상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계를 포함한다.

Description

상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 이용한 보안 통신 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SECURE COMMUNICATION USING ARTIFICIAL NOISE SCHEME UNDER CORRELATED MAIN CHANNELS AND WIRETAP CHANNELS}
본 발명은 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 이용한 보안 통신 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 안테나 환경에서 적법 송신기와 적법 수신기 간의 메인 채널과 적법 송신기와 도청자 간의 도청 채널 사이에 상관관계가 존재할 때, 보안 전송률을 향상시킬 수 있는 보안 통신 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
무선 통신은 태생적으로 보안에 취약한 무선 채널을 통해 수행되므로 도청 등의 보안 위협에 취약하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 크게 두 가지의 보안 기법이 존재한다. 첫 번째는 암호학 기반의 보안 기술이며, 두 번째는 물리 계층 보안 기술이다.
전통적인 암호학 기반의 보안 기술에서는 송신자가 보안키를 이용해 기밀 메시지를 암호화하고 암호화된 기밀 메시지를 전송한다. 이 때, 암호화된 기밀 메시지를 복호하기 위해 수신자는 송신자의 보안키와 동일한 혹은 송신자의 보안키에 대응하는 보안키를 보유하고 있어야 한다. 이처럼 기존 암호학 기반의 보안 기술을 활용하기 위해서는 신뢰할 수 있는 기관을 통해 보안키를 사전에 공유해야 한다. 뿐만 아니라, 암호학 기반 보안 기술은 연산 복잡도에 의존한 보안을 제공하기 때문에 반도체 및 신호처리 기술의 발달에 따라 근시일 내에 한계에 다다를 것으로 예상된다. 특히, 프로세서의 연산 능력이 획기적으로 향상될 것으로 기대되는 양자 컴퓨터 등이 상용화된다면 대부분의 암호학 기반 보안기술들은 무력화될 것으로 예상된다.
반면 물리 계층 보안 기술은 무선 채널, 열 잡음 등 다양한 물리 계층 자원의 물리적 특성을 활용하여 도청자의 도청 시도를 차단하는 방식이다. 물리 계층 보안 기술을 사용하는 경우 기존 암호학 기반의 보안 기술처럼 보안키를 사전에 공유할 필요가 없으며, 또한 도청자의 연산 능력과 무관하게 보안 통신을 수행할 수 있다.
대표적인 물리 계층 보안 기술 중 하나인 인공 잡음 생성 기법은 무선 채널의 특성과 다중 안테나 기반의 빔 형성 기법을 이용하여 기밀 메시지 전송 시 도청자의 수신 신호 대 잡음 비 만을 선택적으로 열화시킬 수 있는 기술이다.
다만, 기존 기술은 적법 송신자로부터 적법 수신자 사이의 메인 채널과 접속 송신자로부터 도청자 사이의 도청 채널이 서로 독립인 경우만을 고려한다는 한계가 존재하였다.
본 발명의 목적은 적법 사용자간 보안 통신 문제에서 메인 채널과 도청 채널 사이의 채널 상관에 따라 인공 잡음 신호와 기밀 메시지를 함께 전송함으로써, 보안 전송률을 향상시킬 수 있는 보안 통신 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 시스템 매개변수, 특히 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따른 인공 잡음 기법의 사용 유무를 결정하여 기밀 메시지 및 인공 잡음에 할당하는 전력을 최적화할 수 있는 최적 전력 할당 기법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서, 상기 적법 송신기에서 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계, 상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계를 포함한다.
상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 인공 잡음을 사용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계(lower bound)를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상기 채널 상관 계수의 크기에 따라 상기 인공 잡음의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수의 변화에 대한 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득할 수 있다.
상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상관도, 및 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 상기 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서, 상관된 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널을 위한 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하는 단계, 상기 적법 송신기에서 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계, 상기 결정된 최적의 전력 할당 비율과 상기 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계를 포함한다.
상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는 상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 반영하여 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계, 상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서, 상기 적법 송신기에서 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부, 상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부를 포함한다.
상기 결정부는 상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 인공 잡음을 사용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계(lower bound)를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 결정부는 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
상기 결정부는 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상기 채널 상관 계수의 크기에 따라 상기 인공 잡음의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수의 변화에 대한 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 결정부는 상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득할 수 있다.
상기 결정부는 안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상관도, 및 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 상기 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서, 상관된 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널을 위한 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부, 상기 결정된 최적의 전력 할당 비율과 상기 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 반영하여 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부, 상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부 및 상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적법 사용자간 보안 통신 문제에서 메인 채널과 도청 채널 사이의 채널 상관에 따라 인공 잡음 신호와 기밀 메시지를 함께 전송함으로써, 보안 전송률을 향상시킬 수 있으며, 시스템 매개변수, 특히 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따른 인공 잡음 기법의 사용 유무를 결정하여 기밀 메시지 및 인공 잡음에 할당하는 전력을 최적화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적법 사용자간 보안 통신 문제에서 인공 잡음 생성 기술을 사용한 경우 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 수학적으로 분석할 수 있는 닫힌 해의 형태로 구하고, 이를 이용하여 시스템 매개변수, 특히 매인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따른 인공 잡음 기법의 사용 유무를 결정함으로써, 주어진 시스템 매개변수에서 최적의 전력 할당 비율을 찾는 최적 전력 할당 기법을 이용하여 에르고딕 보안 전송률을 최대화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 최적의 전력 할당 비율은 복잡한 반복 연산 없이 쉽게 계산할 수 있으며, 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따라서 기밀 메시지 및 인공 잡음에 해당하는 전력을 최적화하기 때문에, 메인 채널과 도청 채널이 독립된 경우에 한해서만 에르고딕 보안 전송률 및 최적 전력 할당 비율 만을 제공하던 기존 발명의 한계를 극복하여 모든 영역에서 에르고딕 보안 전송률을 최대화할 수 있다.
도 1은 다중 안테나 도청자가 존재하는 다중 안테나 송수신 네트워크의 개념도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 송신 안테나 수에 따른 실제 에르고딕 보안 전송률과 본 발명의 하계에 대한 일 예시도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 최적의 전력 할당 매개변수를 채널 상관의 크기와 도청자의 열 잡음 크기에 따라 일 예시도로 도시한 것이다.
도 5는 채널 상관의 크기에 따라 실험적으로 획득된 실제 최적의 전력 할당 매개변수와 본 발명에서 제안한 최적의 전력 할당 매개변수, 그리고 기존 기술에서 제안한 최적의 전력 할당 매개변수에 대한 일 예시도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 장치에 대한 세부 구성을 블록도로 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 다중 안테나 송신기와 다중 안테나 수신기를 포함하는 다중 안테나 시스템을 전제하여 시스템 모델링하고, 메인 채널 및 도청 채널 사이의 상관관계가 존재하는 경우에 모델링된 시스템에 대응하는 전력 할당 비율을 계산하며, 계산된 전력 할당 비율에 기초하여 기밀 메시지를 전송함으로써, 보안 전송률을 향상시키는 것을 그 요지로 한다.
여기서, 전력 할당 비율은 다중 안테나 시스템에서의 메인 채널과 도청 채널 간의 상관도를 고려하여 계산될 수 있다.
NA개의 송신 안테나를 가진 적법 송신자를 앨리스(A), 단일 안테나를 가진 적법 수신자를 밥(B) 그리고 단일 안테나를 가진 도청자를 이브(E)라 하면 메인 채널, 즉 적법 송/수신자 간 채널은 1×NA 벡터
Figure pat00001
가 되고 도청 채널, 즉 적법 송신자와 도청자 사이의 채널은 1×NA 벡터
Figure pat00002
가 된다. 이 때,
Figure pat00003
와
Figure pat00004
는 서로 독립이며 각각의 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 표준 정규분포를 따른다고 가정한다. 또한, 메인 채널
Figure pat00005
의 순시 값은 모든 사용자에게 알려져 있다고 가정하며, 도청 채널
Figure pat00006
의 경우 도청자는 순시 값까지 모두 알 수 있는 반면, 적법 송/수신자에게는 분포만 알려져 있다고 가정한다. 이러한 가정은 충분한 산란(rich scattering)이 보장되는 무선 통신 환경에 대해 널리 쓰이는 가정이다.
이 때, 크기가 NA×1인 적법 송신자의 전송 신호 벡터를
Figure pat00007
라 하면, 적법 수신자와 도청자의 수신 신호
Figure pat00008
와
Figure pat00009
는 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
와
Figure pat00012
는 적법 수신자와 도청자의 열 잡음을 의미하고, 각 원소는 평균이 0이고 분산이
Figure pat00013
그리고
Figure pat00014
인 복소 정규 분포를 따를 수 있다.
이러한 환경에서 인공 잡음 생성 기법을 활용하는 적법 송신자는 적법 수신자에게 보내고자하는 기밀 메시지 벡터
Figure pat00015
와 도청자의 수신 신호를 열화시키기 위해 임의로 생성한 인공 잡음 벡터
Figure pat00016
를 함께 전송한다. 전체 가용 전송 전력을 P라 하고 전체 가용 전송 전력 중에서 기밀 메시지에 해당하는 전력의 비율을
Figure pat00017
라 하면, 적법 송신자의 전송 신호 벡터
Figure pat00018
는 하기의 [수학식 2]와 같이 정의된다.
[수학식 2]
Figure pat00019
여기서, 벡터
Figure pat00020
는 크기가 NA×1인 프리코딩(Precoding) 벡터를 의미하며, Z는 크기가
Figure pat00021
인
Figure pat00022
의 영 공간을 생성하는 직교하는 기저들로 구성된 프리코딩 행렬을 의미할 수 있다. 즉,
Figure pat00023
가 되어 적법 수신자는 인공 잡음으로부터 영향을 받지 않게 된다. 이 때, 프리코딩 행렬
Figure pat00024
와 Z는
Figure pat00025
의 SVD(Singular Value Decomposition)을 통해 구할 수 있다. 구체적으로,
Figure pat00026
라 할 때
Figure pat00027
이며, 따라서 상기 [수학식 1]은 하기의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00028
[수학식 3]을 통해 알 수 있듯이, 인공 잡음 생성 기법에서 생성한 인공 잡음은 적법 수신자에게는 영향을 주지 않으면서 도청자에게는 간섭으로 작용하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라서, 인공 잡음 기법을 바탕으로 최적의 전력 할당 기법을 제시함으로써, 선택적으로 인공 잡음을 생성하여 획득 가능한 보안 전송률을 극대화할 수 있다.
기존 기술은 메인 채널
Figure pat00029
과 도청 채널
Figure pat00030
이 서로 독립인 경우만을 고려하기 때문에, 두 채널 사이에 채널 상관이 존재하는 경우, 채널 상관이 획득 가능한 보안 전송률에 미치는 영향을 알 수 없으므로, 기존 기술에서 제시하는 전력 할당 기법의 성능을 보장할 수 없다는 문제점이 존재한다.
본 발명의 실시예들은, 시스템 매개변수, 즉 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음 기법의 사용 여부를 결정하고, 인공 잡음 생성 기법이 보안 전송률 향상에 도움이 되는 경우, 최적의 전력 할당 비율에 기초하여 에르고딕 보안 전송률을 최대화하는 것을 그 요지로 한다.
도 1은 다중 안테나 도청자가 존재하는 다중 안테나 송수신 네트워크의 개념도를 도시한 것이다. 보다 상세하게는 적법 송신자, 적법 수신자 및 도청자가 다중 안테나인 환경에 대한 개념도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, NA개의 송신 안테나를 가진 적법 송신자를 앨리스(A), 단일 안테나를 가진 적법 수신자를 밥(B) 그리고 단일 안테나를 가진 도청자를 이브(E)라 하면 메인 채널, 즉 적법 송/수신자 간 채널은 1×NA 벡터
Figure pat00031
가 되고, 도청 채널, 즉 적법 송신자와 도청자 사이의 채널은 1×NA 벡터
Figure pat00032
가 된다. 이 때,
Figure pat00033
와
Figure pat00034
는 서로 독립이며 각각의 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 표준 정규분포를 따른다고 가정한다. 또한,
Figure pat00035
와
Figure pat00036
는 채널 상관이 존재할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 시스템에서, 본 발명은 도청자의 도청을 방지하기 위해 앞서 전술한 인공 잡음 기법을 활용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 방법은 적법 송신기에서 메인 채널 및 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정한다(단계 210). 이 때, 단계 210은 안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 메인 채널과 도청 채널의 상관도, 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 현재 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
단계 210에서 시스템 매개변수에 대응하는 최적 전력 할당 비율이 결정되면 [수학식 2]에서 설명한 바와 같이 기밀 메시지와 최적 전력 할당 비율에 기초하여 송신 신호를 생성한다(단계 220).
단계 220에 의해 송신 신호가 생성되면 적법 송신자 또는 적법 송신기는 생성된 송신 신호를 적법 수신자 또는 적법 수신기로 송신함으로써, 보안 통신을 수행한다(단계 230).
이러한 과정을 통해 수행되는 보안 통신 방법에 대해 이하에서 상세히 설명한다.
아래에서 서술한 내용은 본 발명에서 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 찾는 방법으로, 본 발명에서 최적의 전력 할당 비율은 에르고딕 보안 전송률의 하계를 최대화하는 인공 잡음과 기밀 메시지 사이의 전력 할당 비율을 의미한다. 다만, 에르고딕 보안 전송률은 수학적으로 분석 가능한 닫힌 해 형태로 유도하는 것이 어려우므로 본 발명에서는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 수학적으로 분석 가능한 닫힌 해 형태로 유도하고, 이를 최대화하는 최적의 전력 할당 비율을 찾는다.
본 발명의 실시예에서 메인 채널
Figure pat00037
과 도청 채널
Figure pat00038
은 하기의 [수학식 4]와 같이 서로 상관되어 있다고 가정한다.
[수학식 4]
Figure pat00039
이 때,
Figure pat00040
와
Figure pat00041
는 서로 독립이며 각 원소의 평균이 0이고 분산이 1인 복소 표준 정규분포를 따른다. 메인 채널과 도청 채널의 상관도를 의미하는 상관 계수(또는 채널 상관 계수)
Figure pat00042
는 0과 1사이의 값을 가지며,
Figure pat00043
인 경우 두 채널이 서로 독립인 상황을,
Figure pat00044
인 경우 두 채널이 완벽하게 동일한 상황을 의미한다.
일반적으로 무선 통신 환경에서 적법 송신자와 적법 수신자가 메인 채널
Figure pat00045
의 순시 값을 획득하는 것은 쉽지 않다. 따라서 본 발명에서는 보다 일반적인 상황을 고려하기 위해 도청자를 포함한 모든 적법 사용자는 MMSE(Minimum Mean Squared Error) 기반 채널 추정 기법을 통해 메인 채널의 순시 값을 추정한다고 가정한다. 또한, 도청 채널
Figure pat00046
의 경우, 도청자는 적절한 채널 추정 기법을 활용하여 도청 채널
Figure pat00047
의 순시 값을 알 수 있지만, 도청자가 어떠한 신호도 전송하지 않으므로 적법 송/수신자는 도청 채널
Figure pat00048
의 순시 값을 알 수 없기 때문에 채널 상관도의 크기
Figure pat00049
와 도청 채널의 분포만 획득할 수 있다고 가정한다.
전술한 바와 같은 환경에서, 적법 송신자는 메인 채널
Figure pat00050
에 대해 인공 잡음 기법을 활용하므로, 하기의 [수학식 5]와 같은 적법 송신자의 송신 신호를 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
은 표준 정규 분포를 따르는 확률 변수를 의미한다.
한편, 적법 수신자의 수신 신호를 하기의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00053
여기서,
Figure pat00054
와
Figure pat00055
는 각 원소가 표준 정규 분포를 따르는 확률 변수 및
Figure pat00056
크기의 확률 변수의 벡터를 의미한다. 이 때,
Figure pat00057
과
Figure pat00058
는 종래 연구(S. Yun, S. Im, I-M, Kim, J. Ha, “On the secrecy rate and optimal power allocation for artificial noise assisted MIMOME channels,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, no. 4, pp. 3098-3113, April 2018.)의 결과로부터 서로 독립된 것임을 알 수 있다.
나아가, [수학식 3] 및 [수학식 6]에서 도청자의 수신 신호를 비교하면, 채널 상관이 존재하는 경우 도청자의 수신 신호의 형태가 변경되는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 상술한 시스템 모델에서 적법 송/수신자가 도청 채널의 순시 값을 알 수 없기 때문에, 획득 가능한 에르고딕 보안 전송률을 성능 지표로 사용하며, 에르고딕 보안 전송률은 하기의 [수학식 7]과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00059
즉, 에르고딕 보안 전송률은 적법 수신자의 획득 가능한 에르고딕 전송률
Figure pat00060
과 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률
Figure pat00061
의 차이만큼의 보안 전송률을 획득할 수 있다.
본 발명에서는 먼저 적법 수신자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계를 찾고, 도청자의 회득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 찾아 최종적으로 획득 가능한 에르고딕 보안 전송률의 하계를 수학적으로 분석 가능한 닫힌 해의 형태로 구한다. 그리고 이후 이를 활용하여 획득 가능한 에르고딕 보안 전송률을 최대화하는 기밀 메시지와 인공 잡음 간의 전력 할당 비율을 찾는다.
먼저, 적법 수신자의 획득 가능한 보안 전송률
Figure pat00062
은 복소 정규 분포의 상호의존정보(mutual information)의 정의에 따라 하기의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00063
이 때,
Figure pat00064
은
Figure pat00065
의 분포를 따르는 Wishart 확률 변수를 의미할 수 있다.
다음으로, 임의의 양의 실수 c에 대한
Figure pat00066
함수의 볼록함(convexity)과 Jensen의 부등식에 의해 [수학식 8]의 마지막 부등식은 하기의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00067
여기서, 마지막 부등호는 랜덤 행렬의 특성과 디감마(digamma) 함수의 성질을 함께 응용하여 획득할 수 있다.
마찬가지로, 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률
Figure pat00068
또한 상호의존정보(mutual information)에 따라 하기의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00069
여기서,
Figure pat00070
과
Figure pat00071
는 각각
Figure pat00072
과
Figure pat00073
의 분포를 따르는 Wishart 확률 변수를 의미할 수 있다.
도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률
Figure pat00074
의 상계를 산출하기 위하여, 먼저 [수학식 10]의 마지막 등호의 첫 번째 항(T1)의 상계를 산출하고, [수학식 10]의 마지막 등호의 두 번째 항(T2)의 하계를 산출한다.
먼저, [수학식 10]의 마지막 등호의 두 번째 항(T2)의 하계는 상술한
Figure pat00075
의 하계를 구하는 방법과 같은 방법을 활용하면 하기의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00076
한편, [수학식 10]의 마지막 등호의 첫 번째 항(T1)의 상계는 로가리듬(logarithm) 함수의 오목함(concavity)과 Jensen의 부등식에 의해 하기의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00077
여기서, 마지막 등호는 Wishart 확률 변수의 평균에 의해 성립될 수 있다. [수학식 10] 내지 [수학식 12]를 활용하면 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계를 하기의 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure pat00078
나아가, [수학식 9]와 [수학식 13]을 [수학식 7]에 대입하면, 획득 가능한 에르고딕 보안 전송률의 하계를 하기의 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00079
본 발명에서는 [수학식 14]에 제안한 에르고딕 보안 전송률의 하계를 최대화하는 최적의 전력 할당 비율을 결정한다. 수학적 최대화를 위해서는 목적 함수(objective function, 에르고딕 보안 전송률의 하계
Figure pat00080
)가 최대화하고자 하는 변수(전력 할당 비율
Figure pat00081
)에 대해 콘케이브(concave)해야 하나, 목적 함수(
Figure pat00082
)가 변수(
Figure pat00083
)에 대해 콘케이브(concave)한 것을 보이는 것은 쉽지 않다. 이에, 콘케이브(concave)하지 않은 함수의 최대값은 수학적 분석을 통해 찾기 어려우므로, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 [수학식 14]에 매우 가까우면서도 전력 할당 매개변수
Figure pat00084
에 대해 콘케이브(concave)한 새로운 형태의 하계를 제안한다. 먼저,
Figure pat00085
이므로, 하기의 [수학식 15]가 만족될 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00086
이에 따라서, [수학식 14]는 하기의 [수학식 16]과 같은 새로운 형태의 하계를 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure pat00087
이로 인하여, 새로운 하계
Figure pat00088
의 전력 할당 매개변수
Figure pat00089
에 대한 이계도함수를 확인해보면,
Figure pat00090
인 구역에서 새로운 하계
Figure pat00091
는 전력 할당 매개변수
Figure pat00092
에 대한 콘케이브(concave) 함수임을 쉽게 확인할 수 있다.
도 3은 송신 안테나 수에 따른 실제 에르고딕 보안 전송률과 본 발명의 하계에 대한 일 예시도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 3은 본 발명에서 제안한 에르고딕 보안 전송률의 하계
Figure pat00093
와
Figure pat00094
의 정확성을 확인하기 위해, 송신 안테나 수에 따라 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 측정한 에르고딕 보안 전송률과, 본 발명에서 제안한 하계
Figure pat00095
와
Figure pat00096
를 도시한 것이다.
이 때, 적법 수신자와 도청자의 수신 신호 대 잡음비는 10dB, 전력 할당 매개변수는 0.5로 가정하여 나타낸 것이며, 서로 다른 채널 상관의 크기
Figure pat00097
에 대한 보안 전송률을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 에르고딕 보안 전송률의 하계가 실험적으로 측정한 에르고딕 보안 전송률의 하계로 잘 동작할 뿐만 아니라 [수학식 14]의
Figure pat00098
와 [수학식 16]의
Figure pat00099
가 매우 유사한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이로 인하여, 본 발명은 에르고딕 보안 전송률의 최대화를 위한 목적 함수로
Figure pat00100
대신에
Figure pat00101
를 사용하여 최적의 전력 할당 비율을 찾는 것을 제안한다.
이 때, 새로운 하계
Figure pat00102
는 전력 할당 매개변수
Figure pat00103
에 대해 콘케이브(concave)하므로 전력 할당 매개변수
Figure pat00104
의 경계값 혹은 특이점(즉,
Figure pat00105
)에서 최대값을 가진다는 것을 알 수 있다. 다만, 전력 할당 매개변수
Figure pat00106
의 경계값 중 하나인
Figure pat00107
의 경우에는 기밀 메시지에 전력을 할당할 수 없기 때문에 보안 전송률은 0이 되므로, 자연스럽게 최적의 전력 할당 비율에서 제외될 수 있다. 이에 따라서, 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00108
는 새로운 하계
Figure pat00109
의 특이점 혹은 1이 된다. 결과적으로, 새로운 하계
Figure pat00110
의 일차 도함수의 해
Figure pat00111
가 전력 할당 매개변수의 정의역에 존재하는 경우
Figure pat00112
를 나타내며, 그렇지 않은 경우
Figure pat00113
이 되는 것을 알 수 있다.
새로운 하계
Figure pat00114
의 일차 도함수는 2차 다항식이므로, 에르고딕 보안 전송률을 최대화하는 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00115
를 하기의 [수학식 17]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 17]
Figure pat00116
여기서,
Figure pat00117
과
Figure pat00118
는 하기의 [수학식 18]과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 18]
Figure pat00119
[수학식 17]에서 확인할 수 있듯이 도청자의 열 잡음의 분산
Figure pat00120
이 일정 크기
Figure pat00121
이상인 경우, 즉 도청자의 열 잡음이 도청자의 수신 신호 대 잡음 비를 결정하는 지배적인 변수일 경우, 최적의 전력 할당 매개변수는 1을 나타낸다. 이로 인해, 도청자의 채널 상태가 좋지 않은 경우, 인공 잡음에 전력을 할당하는 것 보다 기밀 메시지에 전력을 할당하는 것이 에르고딕 보안 전송률을 최대화하는데 도움이 되는 것을 알 수 있다.
반면에, 도청자의 열 잡음의 크기가
Figure pat00122
보다 작은 경우 즉, 도청자의 채널 상태가 특정 임계값 이상인 경우,
Figure pat00123
만큼의 전력을 기밀 메시지에 할당하는 것이 최적인 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 최적의 전력 할당 매개변수를 채널 상관의 크기와 도청자의 열 잡음 크기에 따라 일 예시도로 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 4는 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관의 크기가 인공 잡음 기법의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수에 미치는 영향을 분석하기 위해, 도청자의 열 잡음의 크기
Figure pat00124
와 채널 상관의 크기
Figure pat00125
에 따른 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00126
를 도시한 것이다.
전술한 [수학식 17]과 같이, 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00127
는 도청자의 열 잡음의 크기
Figure pat00128
에 대해 증가하다가, 도청자의 열 잡음의 크기
Figure pat00129
가 특정 임계값
Figure pat00130
을 초과하는 경우 1이 되는 것을 알 수 있다.
한편, 채널 상관의 크기
Figure pat00131
에 대한 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00132
의 변화는 도청자의 열 잡음의 크기
Figure pat00133
에 따라 서로 다른 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 사각형으로 나타낸
Figure pat00134
의 경우, 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00135
는 채널 상관의 크기
Figure pat00136
에 대해 감소하는 경향을 보이는 반면, 삼각형으로 나타낸
Figure pat00137
의 경우, 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00138
는 채널 상관의 크기
Figure pat00139
에 무관하게 항상 1인 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4에서 원으로 나타낸
Figure pat00140
의 경우, 최적의 전력 할당 매개변수
Figure pat00141
는 1에서 출발해 채널 상관의 크기
Figure pat00142
에 따라 감소하다가 다시 증가하여 1로 되돌아오는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에서 제안한 획득 가능한 에르고딕 보안 전송률을 최대화하기 위해서는 전술한 [수학식 17]에 따라 전력 할당 매개변수를 신중하게 결정해야 함을 도 4를 통해 확인할 수 있다.
도 5는 채널 상관의 크기에 따라 실험적으로 획득된 실제 최적의 전력 할당 매개변수와 본 발명에서 제안한 최적의 전력 할당 매개변수, 그리고 기존 기술에서 제안한 최적의 전력 할당 매개변수에 대한 일 예시도를 도시한 것이다.
보다 상세하게는, 도 5는 송신 안테나의 수가 10개이고, 적법 수신자의 신호 대 잡음 비가 5dB일 때, 채널 상관의 크기에 따른 최적의 전력 할당 매개변수를 3가지 서로 다른 도청자의 열 잡음의 크기(
Figure pat00143
)에 따라 도시한 것이다.
Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 찾은 실제 최적의 전력 할당 매개변수와 본 발명에서 제안한 방법을 비교하면, 본 발명에서 제안한 방법을 사용한 경우, 채널 상관의 크기에 따라 변화하는 실제 최적의 전력 할당 매개변수에 대한 예측률이 높은 것을 확인할 수 있다. 반면에, 적법 송신자로부터 적법 수신자 사이의 채널과 적법 송신자로부터 도청자 사이의 채널이 서로 독립인 경우만을 고려한 기존 기술에서 제시한 방법을 통해 찾은 최적의 전력 할당 매개변수는 채널 상관의 변화에 따른 실제 최적의 전력 할당 매개변수의 변화를 전혀 반영하고 있지 못함을 확인할 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 본 발명은 본 발명에서 제안한 상관된 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 활용하여 보안 통신의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 장치에 대한 세부 구성을 블록도로 도시한 것으로, 상술한 도 1 내지 도 5의 보안 통신 방법을 수행하는 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 통신 장치(600)는 결정부(610), 생성부(620) 및 송신부(630)를 포함한다.
결정부(610)는 적법 송신기에서 메인 채널 및 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정한다.
여기서, 결정부(610)는 안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 메인 채널과 도청 채널의 상관도, 및 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율 특히, 기밀 메시지와 인공 잡음 간의 최대의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다. 이 때, 결정부(610)는 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관 계수의 크기에 따라 인공 잡음의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수의 변화에 대한 효율을 향상시킬 수 있다.
결정부(610)는 적법 송신기로부터 적법 수신기 사이의 메인 채널과 적법 송신기로부터 도청자 사이의 도청 채널의 채널 상관에 따른 채널 상관 계수로 인해, 인공 잡음을 사용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계(lower bound)를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다. 특히, 결정부(610)는 메인 채널과 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 획득된 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 기밀 메시지와 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
구체적으로, 결정부(610)는 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 획득된 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정할 수 있다.
생성부(620)는 결정부(610)에 의해 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성한다.
즉, 생성부(620)에 의해 생성된 송신 신호를 기밀 메시지와 인공 잡음 간의 최적의 전력 할당 비율에 의해 전력이 할당되고, 이렇게 할당된 최적의 전력 할당 비율과 인공 잡음 기법을 이용하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호가 생성되기 때문에 도청자에 대한 에르고딕 보안 전송률을 최대화할 수 있다.
송신부(630)는 생성부(620)에 의해 생성된 송신 신호를 다중 안테나를 이용하여 적법 수신기로 송신한다.
비록, 도 6에서 설명하지 않았지만, 도 6의 장치는 상술한 도 1 내지 도 5에서 설명한 보안 통신 방법에 대한 동작을 모두 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
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 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서,
    상기 적법 송신기에서 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계;
    상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계
    를 포함하는 보안 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 인공 잡음을 사용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계(lower bound)를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상기 채널 상관 계수의 크기에 따라 상기 인공 잡음의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수의 변화에 대한 효율을 향상시키는, 보안 통신 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상관도, 및 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 상기 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  7. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서,
    상관된 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널을 위한 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하는 단계;
    상기 적법 송신기에서 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계;
    상기 결정된 최적의 전력 할당 비율과 상기 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계
    를 포함하는 보안 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계는
    상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 방법.
  11. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 방법에 있어서,
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 반영하여 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 단계;
    상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 단계
    를 포함하는 보안 통신 방법.
  12. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서,
    상기 적법 송신기에서 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널 사이의 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부;
    상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부
    를 포함하는 보안 통신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 결정부는
    상기 적법 송신기로부터 상기 적법 수신기 사이의 상기 메인 채널과 상기 적법 송신기로부터 도청자 사이의 상기 도청 채널의 채널 상관에 따른 상기 채널 상관 계수로 인해, 인공 잡음을 사용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계(lower bound)를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 결정부는
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 결정하여 상기 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는, 상기 기밀 메시지와 상기 인공 잡음 간 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 결정부는
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상기 채널 상관 계수의 크기에 따라 상기 인공 잡음의 효율 및 최적의 전력 할당 매개변수의 변화에 대한 효율을 향상시키는, 보안 통신 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 결정부는
    상기 적법 수신기에서 획득 가능한 에르고딕 전송률의 하계와 상기 도청자의 획득 가능한 에르고딕 전송률의 상계(upper bound)를 획득함으로써, 상기 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 결정부는
    안테나의 수, 전체 가용 전송 전력, 상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 상관도, 및 도청자의 열 잡음의 크기를 포함하는 상기 시스템 매개변수에 대응하는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 것을 특징으로 하는, 보안 통신 장치.
  18. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서,
    상관된 상기 메인 채널 및 상기 도청 채널을 위한 인공 잡음을 이용하여 획득할 수 있는 에르고딕 보안 전송률의 하계를 닫힌 해의 형태로 획득하고, 상기 획득된 에르고딕 보안 전송률의 하계를 이용하여 채널 상관 계수를 포함하는 시스템 매개변수에 대한 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부;
    상기 결정된 최적의 전력 할당 비율과 상기 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부
    를 포함하는 보안 통신 장치.
  19. 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 다중 안테나 적법 송신기와 다중 안테나 적법 수신기 간의 보안 통신 장치에 있어서,
    상기 메인 채널과 상기 도청 채널의 채널 상관에 따라 인공 잡음의 사용 유무를 반영하여 에르고딕 보안 전송률이 최대가 되는 최적의 전력 할당 비율을 결정하는 결정부;
    상기 결정된 전력 할당 비율과 인공 잡음에 기초하여 기밀 메시지를 포함하는 송신 신호를 생성하는 생성부; 및
    상기 생성된 송신 신호를 상기 적법 수신기로 송신하는 송신부
    를 포함하는 보안 통신 장치.
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