KR20210120429A - Multi-Hop Transmissions System Based on Opportunistic Scheduling Schemes and WPT to Improve Physical Layer Security in Wireless Sensor Networks - Google Patents

Multi-Hop Transmissions System Based on Opportunistic Scheduling Schemes and WPT to Improve Physical Layer Security in Wireless Sensor Networks Download PDF

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KR20210120429A
KR20210120429A KR1020200037120A KR20200037120A KR20210120429A KR 20210120429 A KR20210120429 A KR 20210120429A KR 1020200037120 A KR1020200037120 A KR 1020200037120A KR 20200037120 A KR20200037120 A KR 20200037120A KR 20210120429 A KR20210120429 A KR 20210120429A
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Abstract

The present invention relates to a multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission to increase physical layer security in a wireless sensor network. According to the present invention, the multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission comprises a plurality of M power beacons (PB) supplying energy for data transmission and nodes existing in a cluster form and receiving the energy from the power beacons to transmit data. The multi-hop system performs the following steps of: supplying energy from a power beacon to each node so that each node performs energy harvesting (EH); allowing the power beacon to generate and propagate artificial noise to the nodes to interfere with an eavesdropper's eavesdropping behavior during a data transmission period in which each node transmits the data by using the energy stored through the energy harvesting; and allowing each cluster to select a data transmission/reception node according to a channel state of each node through an opportunistic scheduling method.

Description

무선 센서 네트워크에서 물리계층보안 향상을 위한 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템 {Multi-Hop Transmissions System Based on Opportunistic Scheduling Schemes and WPT to Improve Physical Layer Security in Wireless Sensor Networks}Multi-Hop Transmissions System Based on Opportunistic Scheduling Schemes and WPT to Improve Physical Layer Security in Wireless Sensor Networks

본 발명은 멀티-홉 시스템에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 물리계층보안 향상을 위해 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송을 기반으로 하는 멀티-홉 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a multi-hop system, and more particularly, to a multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission to improve physical layer security in a wireless sensor network.

무선 센서 네트워크(Wireless sensor networks)가 사물 인터넷(IoT) 에코 시스템을 지원하는 미래 무선 네트워크를 위한 네트워킹 솔루션으로 등장하였다. 실제, 무선 센서 네크워크는 전장이나 위험한 환경에 배치되어 인간의 상호 작용없이 물리적인 현상을 수집하고 모니터링 할 수 있다. Wireless sensor networks have emerged as a networking solution for future wireless networks that support the Internet of Things (IoT) ecosystem. In practice, wireless sensor networks can be deployed on battlefields or in hazardous environments to collect and monitor physical phenomena without human interaction.

하지만, 기존의 무선 센서 네트워크는 센서 노드가 저렴하고 크기가 작고 전원 공급이 제한되어 있기 때문에, 네트워크 수명을 유지하는 방법이 무선 센서 네트워크가 직면한 가장 큰 과제 중 하나이다. 또한, 도청으로부터 정보를 인코딩하고 보호하는 에너지도 전통적인 무선 센서 네트워크 및 IoT 시스템에 상당한 부담이 되고 있다. 무선전력전송(WPT)은 각 센서 노드가 작동을 유지하기 위해 여러 전력비콘(PB)에서 에너지를 수집할 수 있기 때문에 무선 센서 네트워크에서 에너지 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 방법이다.However, since the existing wireless sensor network has cheap sensor nodes, small size, and limited power supply, how to maintain the network lifespan is one of the biggest challenges faced by wireless sensor networks. In addition, the energy to encode and protect information from eavesdropping is also a significant burden on traditional wireless sensor networks and IoT systems. Wireless Power Transfer (WPT) is an efficient way to solve the energy problem in wireless sensor networks because each sensor node can collect energy from multiple power beacons (PB) to keep it working.

한편, 멀티 홉 전송은 다수의 중간 센서 노드를 통해 소스 노드로부터 목적지 노드로의 정보 전송을 활용함으로써 무선 센서 네트워크의 영역을 확장하는 효과적인 기술로 확인되었다. 하지만, 멀티 홉 전송에서 무선 신호의 브로드 캐스트는 불법 사용자가 쉽게 도청할 수 있다는 문제점이 있었다. On the other hand, multi-hop transmission has been confirmed as an effective technique for expanding the area of a wireless sensor network by utilizing information transmission from a source node to a destination node through a plurality of intermediate sensor nodes. However, in multi-hop transmission, broadcasting of a wireless signal has a problem that illegal users can easily eavesdrop.

대한민국 등록특허공보 제10-1865553호 (2018.05.31. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1865553 (Registered on May 31, 2018)

본 발명은 종래 무선 센서 네트워크를 위한 멀티-홉 시스템에의 도청 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 센서 네트워크에서 기회주의적 스케쥴링 기법과 무선파워전송을 기반으로 물리계층보안을 향상시켜 멀티홉 전송에서의 도청 문제를 해결할 수 있도록 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템을 제공하는 데 있다. The present invention has been proposed to solve the problem of eavesdropping in a multi-hop system for a conventional wireless sensor network, and an object of the present invention is to improve physical layer security based on an opportunistic scheduling technique and wireless power transmission in a wireless sensor network. It is to provide a multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission that can solve the eavesdropping problem in multi-hop transmission.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템은 무선 센서 네크워크에서 데이터 전송을 위한 에너지를 공급하는 복수(M)의 파워비콘(PB)과, 상기 파워비콘으로부터 에너지를 공급받아 데이터를 전송하는 클러스터 형태로 존재하는 노들들이 구비되는 멀티-홉 시스템에서, 상기 파워비콘이 각 노드들에게 에너지를 공급하여, 각 노드들이 에너지 하베스팅(EH)을 수행하는 단계(a)와; 상기 에너지 하베스팅을 통하여 저장된 에너지를 이용하여 각 노들들이 데이터를 전송하는 데이터 전송기간 동안, 상기 파워비콘이 도청자의 도청 행위를 방해하기 위해서 인의적 노이즈를 발생시켜 노드들에게 전파하는 단계(b)와; 각 클러스터에서 기회주의적 스케쥴링 기법을 통해 각 노드들의 채널 상태에 따라 데이터 송수신 노드를 선택하는 단계(c);를 포함한다. A multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission according to the present invention for achieving the above object includes a plurality of (M) power beacons (PB) supplying energy for data transmission in a wireless sensor network, and the power In a multi-hop system provided with nodes existing in a cluster form that receive energy from a beacon and transmit data, the power beacon supplies energy to each node, and each node performs energy harvesting (EH). Step (a) and; During the data transmission period in which each node transmits data using the energy stored through the energy harvesting, the power beacon generates and propagates human noise to the nodes in order to interfere with the eavesdropper's eavesdropping behavior (b) Wow; and (c) selecting a data transmission/reception node according to the channel state of each node through an opportunistic scheduling technique in each cluster.

여기서, 상기 데이터 송수신 노드를 선택하는 단계(c)서, 상기 기회주의적 스케쥴링 기법은 각각의 클러스터에서 도청채널을 최소화하는 노드를 선택하는 도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS ; minimum node selection scheme) 또는 보안 채널용량을 최대로 하는 노드들은 선택하는 최적 노드 선택방법(ONS ; optimal node selection scheme)인 것이 바람직하다. Here, in the step (c) of selecting the data transmission/reception node, the opportunistic scheduling scheme selects a node that minimizes an eavesdropping channel in each cluster. A minimum node selection scheme (MNS) or security It is preferable that the nodes maximizing the channel capacity are selected using an optimal node selection scheme (ONS).

본 발명에 따른 멀티-홉 시스템은 기회주의적 스케쥴링 기법에 따른 최소 노드 선택방법과 최적 노드 선택방법의 보안실패확률에 대한 수학적 모델을 얻을 수 있으며, 구해진 수학적 모델을 통해 실제 데이터 전송을 실시하지 않고도 메시지의 도청 확률을 구할 수 있는 효과가 있다. The multi-hop system according to the present invention can obtain a mathematical model for the security failure probability of the minimum node selection method and the optimal node selection method according to the opportunistic scheduling method, and through the obtained mathematical model, a message It has the effect of finding the eavesdropping probability of

도 1은 본 발명에 따른 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 데이터 전송과정을 타임블록의 형태로 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 파워비콘의 전송파워 증가에 따른 보안실패확률을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 에너지 하베스팅(EH) 비율에 따른 보안실패확률을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 홉수의 변화에 따른 보안실패확률을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 클러스터 내 노드 수에 따른 보안실패확률을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 파워비콘의 수에 따른 보안실패확률을 그래프로 나타낸 것이다. 1 is a conceptual diagram of a multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission according to the present invention;
2 is a conceptual diagram illustrating a data transmission process in the form of a time block according to the present invention;
3 is a graph showing a security failure probability according to an increase in transmission power of a power beacon according to the present invention;
4 is a graph showing the probability of security failure according to the energy harvesting (EH) ratio according to the present invention;
5 is a graph showing a security failure probability according to a change in the number of hops according to the present invention;
6 is a graph showing the probability of security failure according to the number of nodes in a cluster according to the present invention;
7 is a graph showing the security failure probability according to the number of power beacons according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 1 is a conceptual diagram illustrating a multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티-홉 시스템에는 소스 노드(Source)와 목적지 노드(Destination)가 존재하는데, 이 소스 노드와 목적지 노드 사이에는 각각 클러스터 형태의 중간 노드(k-th cluster)들이 존재한다. 또한, 멀티 홈 시스템에는 복수개(M)의 파워비콘(PB ; PB1, …, PBm, …, PBM)이 존재하는데, 이 파워비콘은 각 노드들에게 데이터 전송을 위한 에너지를 공급하며, 노드들은 파워비콘으로부터 수신받은 에너지를 모두 데이터 전송에 소비하게 된다. As shown in FIG. 1, in the multi-hop system according to the present invention, a source node (Source) and a destination node (Destination) exist, and between the source node and the destination node, each cluster-type intermediate node (k-th) is present. clusters) exist. In addition, a plurality of (M) power beacons (PB ; PB 1 , ..., PB m , ..., PB M ) exist in the multi-home system, and the power beacons supply energy for data transmission to each node, Nodes consume all of the energy received from the power beacon for data transmission.

한편, 멀티-홉 시스템에는 도청자(E ; Eavesdropper)가 존재하여 이러한 일련의 과정을 도청하게 되는데, 본 발명에서는 도청자의 도청 행위를 방해하기 위해서 파워비콘을 통하여 데이터 전송구간에서 인의적 잡음을 발생시키게 된다. On the other hand, in the multi-hop system, an eavesdropper (E) exists and eavesdrops on this series of processes. In the present invention, human noise is generated in the data transmission section through the power beacon to prevent the eavesdropping behavior of the eavesdropper. will make it

도 2는 본 발명이 실시 예에 따른 데이터 전송과정을 타임블록의 형태로 나타낸 것이다. 2 illustrates a data transmission process in the form of a time block according to an embodiment of the present invention.

[에너지 하베스팅 구간(EH)][Energy Harvesting Section (EH)]

각 노드들은 데이터 전송이 시작되면 일정시간(

Figure pat00001
) 동안 파워비콘으로부터 에너지를 공급받는다. 이때, 공급받는 에너지(
Figure pat00002
)는 다음 수학식 1과 같다. Each node starts sending data for a certain amount of time (
Figure pat00001
) while receiving energy from the power beacon. At this time, the energy supplied (
Figure pat00002
) is the same as Equation 1 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서,

Figure pat00004
는 에너지 변환 효율로 전송받은 에너지 중 얼마만큼 데이터 전송에 사용되는지를 나타낸다.
Figure pat00005
는 데이터 전송이 이루어지는
Figure pat00006
기간 중에서 에너지 하베스팅(EH)이 이루어지는 시간의 비율이다.
Figure pat00007
는 파워비콘의 전송 파워,
Figure pat00008
는 m번째 파워비콘과 k번째 홉의 i번째 노드 사이의 채널 효율을 나타낸다. 에너지 하베스팅 이후 K 홉을 통해 데이터가 전송되기 때문에 한 홉이 데이터 전송을 위해 사용하는 시간은
Figure pat00009
이다. 따라서 각 클러스터에서 노드들이 데이터 전송을 위해서 사용하는 에너지(
Figure pat00010
)는 다음의 수학식 2와 같다. here,
Figure pat00004
indicates how much of the received energy is used for data transmission as energy conversion efficiency.
Figure pat00005
is where the data transfer takes place
Figure pat00006
Percentage of time during which energy harvesting (EH) takes place.
Figure pat00007
is the transmit power of the power beacon,
Figure pat00008
denotes the channel efficiency between the m- th power beacon and the i- th node of the k-th hop. Since data is transmitted through K hops after energy harvesting, the time one hop spends for data transmission is
Figure pat00009
am. Therefore, in each cluster, the energy used by nodes for data transmission (
Figure pat00010
) is the same as Equation 2 below.

Figure pat00011
Figure pat00011

[데이터 전송 구간(data transmission)][data transmission interval]

각 노드들은 에너지 하베스팅 구간에서 저장한 에너지를 데이터 전송 구간에서 데이터 전송을 위하여 사용한다. 따라서 이때, k번째 클러스터의 i번째 노드로부터 k+1번째 클러스터의 j번째 노드가 받는 신호(

Figure pat00012
)의 수학적 표현은 다음의 수학식 3과 같다. Each node uses the energy stored in the energy harvesting section for data transmission in the data transmission section. Therefore, at this time, the signal received by the j-th node of the k+1th cluster from the i-th node of the
Figure pat00012
) is expressed in the following equation (3).

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서,

Figure pat00014
는 k번째 홉의 이전노드(i 노드)와 다음 노드(j 노드)사이의 채널 효율을 나타낸다. 또한,
Figure pat00015
는 j노드에서의 노이즈를 나타낸다. here,
Figure pat00014
denotes the channel efficiency between the previous node (node i) and the next node (node j) of the k-th hop. In addition,
Figure pat00015
is the noise at node j.

따라서, j번째 노드의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio ; SNR)(

Figure pat00016
)는 다음 수학식 4와 같다.Therefore, the signal-to-noise ratio (SNR) of the j-th node (
Figure pat00016
) is the same as Equation 4 below.

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서,

Figure pat00018
는 수신 채널(j 노드 채널)에 존재하는 잡음(부가 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian noise))의 편차를 나타낸다.here,
Figure pat00018
denotes the deviation of noise (Additive White Gaussian noise) present in the reception channel (j-node channel).

한편, 합법적인 사용자와 달리 도청자(E)의 도청신호(

Figure pat00019
)는 다음과 같다. On the other hand, unlike a legitimate user, the eavesdropper (E)’s eavesdropping signal (
Figure pat00019
) is as follows.

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서,

Figure pat00021
는 k번째 홉의 데이터 전송을 위한 i번째 노드와 도청자 사이의 채널 효율을 나타내고,
Figure pat00022
는 k번째 홉의 데이터 전송을 위한 m번째 파워비콘의 인위적 노이즈 신호의 채널 효율을 나타낸다. 또한,
Figure pat00023
는 도청자에서의 채널 노이즈를 나타낸다. here,
Figure pat00021
represents the channel efficiency between the i-th node and the eavesdropper for data transmission of the k-th hop,
Figure pat00022
denotes the channel efficiency of the artificial noise signal of the m-th power beacon for data transmission of the k-th hop. In addition,
Figure pat00023
represents the channel noise at the eavesdropper.

따라서, 도청자의 신호대간섭잡음비(signal-to-interference-noise ratio: SINR)(

Figure pat00024
)은 다음 수학식 6과 같다.Therefore, the eavesdropper's signal-to-interference-noise ratio (SINR) (
Figure pat00024
) is as in Equation 6 below.

Figure pat00025
Figure pat00025

이하에서는 본 발명에서는 제안하는 기회주의적 노드 선택방법에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, the opportunistic node selection method proposed in the present invention will be described.

(1) 기회주의적 노드 선택방법(1) Opportunistic node selection method

먼저, 본 발명에서 제안하는 두가지 방법의 기회주의적 노드 선택방법과, 비교 분석을 위한 한가지의 기준 노드 선택방법에 대해서 설명한다. First, the opportunistic node selection method of the two methods proposed in the present invention and one reference node selection method for comparative analysis will be described.

(1-1) 랜덤 노드 선택방법(Random node selection (RNS) scheme) : 기준 노드 선택방법)(1-1) Random node selection (RNS) scheme: reference node selection method)

먼저, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 노드 선택방법과 비교 기준이 되는 랜덤 노드 선택방법(RNS)은 각각의 클러스터에서 랜덤하게 데이터를 송수신하는 노드를 선택한다. 따라서 선택된 노드 사이의 SNR과, 선택된 노드와 도청자 사이의 SNR은 다음 수학식 7 및 수학식 8과 같다. First, the opportunistic node selection method proposed in the present invention and the random node selection method (RNS), which is a comparison criterion, selects a node that randomly transmits/receives data in each cluster. Therefore, the SNR between the selected nodes and the SNR between the selected node and the eavesdropper are as follows: Equations 7 and 8.

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
Figure pat00027

여기서, i*는 데이터 전송을 위한 k-1번째 클러스터의 노드를 의미하고, j*는 k번째 클러스터에서 데이터를 수신하는 노드를 의미한다. 또한,

Figure pat00028
은 수신 채널(도청자 채널)에 존재하는 잡음(부가 백색 가우시안 잡음)의 편차를 나타낸다. Here, i * denotes a node of the k-1 th cluster for data transmission, and j * denotes a node receiving data in the k th cluster. In addition,
Figure pat00028
denotes the deviation of noise (additional white Gaussian noise) present in the receiving channel (eavesdropper channel).

(1-2) 도청 채널 최소 노드 선택방법(minimum node selection (MNS) scheme)(1-2) eavesdropping channel minimum node selection (MNS) scheme

본 발명에서 제안하는 두가지 기회주의적 노드 선택방법 중 하나인 도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS)은 각각의 클러스터에서 도청 채널을 최소화하는 노드를 선택한다. 따라서 노드 선택 방법을 수학적으로 나타내면 다음 수학식 9와 같다. The eavesdropping channel minimum node selection method (MNS), which is one of the two opportunistic node selection methods proposed in the present invention, selects a node that minimizes the eavesdropping channel in each cluster. Therefore, the node selection method is mathematically expressed as Equation 9 below.

Figure pat00029
Figure pat00029

선택된 노드들 사이의 SNR과, 선택 노드와 도청자 사이의 SNR은 다음 수학식 10 및 수학식 11과 같다. The SNR between the selected nodes and the SNR between the selected node and the eavesdropper are as shown in Equations 10 and 11 below.

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

(3-3) 최적 노드 선택방법(optimal node selection(ONS) scheme)(3-3) optimal node selection (ONS) scheme

본 발명에서 제안하는 두가지 기회주의적 노드 선택방법 중 다른 하나인 최적 노드 선택방법(ONS)은 보안 채널용량을 최대로 하는 노드들은 선택한다. 다음 수학식 12는 이러한 ONS 방법의 수학적인 표현이다. The optimal node selection method (ONS), which is another one of the two opportunistic node selection methods proposed in the present invention, selects nodes that maximize the secure channel capacity. The following Equation 12 is a mathematical expression of such an ONS method.

Figure pat00032
Figure pat00032

이하에서는 본 발명에서 제안하는 기회주의적 노드 선택 방법에 따른 시스템 보안실패확률에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a system security failure probability according to the opportunistic node selection method proposed in the present invention will be described.

(2) 시스템 보안실패확률(2) Probability of system security failure

시스템 성능평가를 위한 보안실패확률(Secrecy Outage Probability: SOP)은 다음 수학식 13과 같다. A Security Outage Probability (SOP) for system performance evaluation is expressed by Equation 13 below.

Figure pat00033
Figure pat00033

여기서,

Figure pat00034
는 시스템 보안 성능을 측정하기 위하여 도청자와 합법적인 사용자(노드)간의 채널 용량 차이의 임계값을 나타낸다. here,
Figure pat00034
represents the threshold value of the difference in channel capacity between eavesdroppers and legitimate users (nodes) to measure system security performance.

(2-1) 랜덤 노드 선택방법(Random node selection (RNS) scheme: 기준 노드 선택방법)의 보안실패확률(SOP)(2-1) Security Failure Probability (SOP) of Random node selection (RNS) scheme

먼저, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 노드 선택방법과의 비교 기준이 되는 랜덤 노드 선택방법(RNS)에서 보안실패확률(SOP)은 상기 수학식 13으로부터 다음 수학식 14와 같이 계산될 수 있다. First, in the random node selection method (RNS), which is a comparison criterion with the opportunistic node selection method proposed in the present invention, the probability of security failure (SOP) can be calculated from Equation 13 to Equation 14 below.

Figure pat00035
Figure pat00035

상기 RNS 방법의 보안실패확률의 수학적 모델을 구하기 위해서, 상기 수학식 14에서

Figure pat00036
는 다음 수학식 15와 같이 표현할 수 있다.In order to obtain a mathematical model of the security failure probability of the RNS method, in Equation 14
Figure pat00036
can be expressed as in Equation 15 below.

Figure pat00037
Figure pat00037

여기서,

Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
이다.here,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
,
Figure pat00041
,
Figure pat00042
,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
am.

상기

Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
와
Figure pat00050
는 상호 배타적 관계이기 때문에 다음 수학식 16과 같이 전개할 수 있다. remind
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
Wow
Figure pat00050
Since is a mutually exclusive relationship, it can be developed as in Equation 16 below.

Figure pat00051
Figure pat00051

상기 수학식 16을 위해서

Figure pat00052
는 다음 수학식 17과 같이 전개할 수 있다. For the above equation (16)
Figure pat00052
can be expanded as in Equation 17 below.

Figure pat00053
Figure pat00053

여기서,

Figure pat00054
는 k번째 홉에서 i번째 송신 노드와 j번째 수신 노드사이의 채널의 평균 채널이득이고,
Figure pat00055
는 k번째 홉에서 i번째 송신 노드와 도청자(E) 사이의 채널의 평균 채널 이득을 나타낸다. here,
Figure pat00054
is the average channel gain of the channel between the i-th transmitting node and the j-th receiving node in the k-th hop,
Figure pat00055
denotes the average channel gain of the channel between the i-th transmitting node and the eavesdropper E at the k-th hop.

상기 수학식 17에서의 적분을 계산하기 위해서 다음의 수학식 18을 이용하면

Figure pat00056
는 수학식 19와 같다. If the following Equation 18 is used to calculate the integral in Equation 17,
Figure pat00056
is equal to Equation 19.

Figure pat00057
Figure pat00057

Figure pat00058
Figure pat00058

상기 수학식 19를 수학식 16에 대입하면 다음의 수학식 20과 같다.Substituting Equation 19 into Equation 16 gives Equation 20 below.

Figure pat00059
Figure pat00059

상기 수학식 20에서의

Figure pat00060
를 해결하기 위해서 다음 수학식 21과 수학식 22를 이용하면 수학식 23와 같다. In Equation 20 above
Figure pat00060
Equation 23 is obtained by using the following Equations 21 and 22 to solve .

Figure pat00061
Figure pat00061

Figure pat00062
Figure pat00062

여기서,

Figure pat00063
는 제2종 베셀함수이다.here,
Figure pat00063
is a Bessel function of the second kind.

Figure pat00064
Figure pat00064

여기서,

Figure pat00065
는 m번째 파워비콘과 k번째 클러스터의 i번째 노드 사이의 채널의 평균 이득이고,
Figure pat00066
는 감마 함수이다.here,
Figure pat00065
is the average gain of the channel between the m-th power beacon and the i-th node of the k-th cluster,
Figure pat00066
is the gamma function.

상기 수학식 23을 수학식 20에 넣고 정리하면

Figure pat00067
는 다음 수학식 24와 같다. Putting Equation 23 into Equation 20 and rearranging
Figure pat00067
is the following Equation 24.

Figure pat00068
Figure pat00068

여기서,

Figure pat00069
는 k번째 홉(전송)에서 m번째 파워비콘과 도청자 사이 채널의 평균 채널이득이다.here,
Figure pat00069
is the average channel gain of the channel between the mth power beacon and the eavesdropper at the kth hop (transmission).

상기 수학식 24에서

Figure pat00070
은 수학식 25, 수학식 26를 이용하여 계산하면 다음 수학식 27과 같다. In Equation 24 above
Figure pat00070
is calculated using Equation 25 and Equation 26 as shown in Equation 27 below.

Figure pat00071
Figure pat00071

Figure pat00072
Figure pat00072

Figure pat00073
Figure pat00073

여기서,

Figure pat00074
,
Figure pat00075
는 상부 불완전 감마 함수이다. here,
Figure pat00074
,
Figure pat00075
is the upper incomplete gamma function.

상기 수학식 27을 수학식 24에 대입한 뒤 계산을 하면 RNS 방법의 보안실패확률(

Figure pat00076
)는 다음과 같다. If the calculation is performed after substituting Equation 27 into Equation 24, the security failure probability of the RNS method (
Figure pat00076
) is as follows.

Figure pat00077
Figure pat00077

상기 수학식 28은 랜덤 노드 선택방법(RNS)에 대한 보안실패확률(SOP)의 수학적 모델이 된다. Equation 28 becomes a mathematical model of the probability of security failure (SOP) for the random node selection method (RNS).

(2-2) 최소 노드 선택방법(Minimum node selection (MNS) scheme)의 보안실패확률(2-2) Security failure probability of Minimum node selection (MNS) scheme

상기 수학식 13으로부터 최소 노드 선택방법(MNS)의 보안실패확률(SOP)은 다음의 수학식 29와 같이 정의할 수 있다. From Equation 13, the security failure probability (SOP) of the minimum node selection method (MNS) can be defined as in Equation 29 below.

Figure pat00078
Figure pat00078

최소 노드 선택방법(MNS)의 보안실패확률(SOP)을 구하기 위해서 상기 수학식 29 내의

Figure pat00079
는 다음 수학식 30과 같이 전개할 수 있다.In order to obtain the security failure probability (SOP) of the minimum node selection method (MNS) in Equation 29
Figure pat00079
can be expanded as in Equation 30 below.

Figure pat00080
Figure pat00080

여기서,

Figure pat00081
,
Figure pat00082
,
Figure pat00083
,
Figure pat00084
Figure pat00085
,
Figure pat00086
,
Figure pat00087
,
Figure pat00088
,
Figure pat00089
이다.here,
Figure pat00081
,
Figure pat00082
,
Figure pat00083
,
Figure pat00084
Figure pat00085
,
Figure pat00086
,
Figure pat00087
,
Figure pat00088
,
Figure pat00089
am.

이때,

Figure pat00090
,
Figure pat00091
,
Figure pat00092
,
Figure pat00093
는 서로 상호 배타적 관계이기 때문에 다음 수학식 31과 같이 표현할 수 있다. At this time,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
,
Figure pat00092
,
Figure pat00093
Since are mutually exclusive relationships, it can be expressed as in Equation 31 below.

Figure pat00094
Figure pat00094

상기 수학식 31에서

Figure pat00095
에서
Figure pat00096
는 다음 수학식 32와 같다. In Equation 31 above
Figure pat00095
at
Figure pat00096
is the following Equation 32.

Figure pat00097
Figure pat00097

따라서

Figure pat00098
의 적분을 계산하기 위해서 다음의 수학식 33를 이용하면 수학식 34를 얻을 수 있다. thus
Figure pat00098
Equation 34 can be obtained by using Equation 33 below to calculate the integral of .

Figure pat00099
Figure pat00099

Figure pat00100
Figure pat00100

여기서,

Figure pat00101
는 k번째 홉의 i번째 전송노드와 j번째 수신노드 사이의 평균 채널이득이고,
Figure pat00102
는 k번째 홉에서 i번째 전송노드와 도청자(E)사이의 평균 채널이득이다. here,
Figure pat00101
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the j-th receiving node of the k-th hop,
Figure pat00102
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the eavesdropper (E) at the k-th hop.

상기 수학식 34를 수학식 31에 대입해서 정리하면 다음 수학식 35와 같다. By substituting Equation (34) into Equation (31), the following Equation (35) is obtained.

Figure pat00103
Figure pat00103

상기 수학식 35에서의

Figure pat00104
는 다음 수학식 36와 같이 전개할 수 있다. In Equation 35 above
Figure pat00104
can be expanded as in Equation 36 below.

Figure pat00105
Figure pat00105

상기 수학식 36에서의 적분을 계산하기 위해서 다음 수학식 37과 수학식 38을 이용하여 계산한 후, 수학식 35에 대입하면 다음 수학식 39과 같다. In order to calculate the integral in Equation 36, it is calculated using Equations 37 and 38, and then substituted in Equation 35 to obtain Equation 39 below.

Figure pat00106
Figure pat00106

Figure pat00107
Figure pat00107

Figure pat00108
Figure pat00108

다시 상기 수학식 37를 이용하여 수학식 39 내

Figure pat00109
을 계산하면 다음 수학식 40와 같다. Again, using Equation 37, in Equation 39
Figure pat00109
is calculated as Equation 40 below.

Figure pat00110
Figure pat00110

여기서,

Figure pat00111
는 상부 불완전 감마 함수이다. here,
Figure pat00111
is the upper incomplete gamma function.

상기 수학식 40를 수학식 29에 대입하면 다음 수학식 41을 얻을 수 있다. By substituting Equation 40 into Equation 29, the following Equation 41 can be obtained.

Figure pat00112
Figure pat00112

상기 수학식 41에서

Figure pat00113
,
Figure pat00114
이다. In Equation 41 above
Figure pat00113
,
Figure pat00114
am.

상기 수학식 41은 본 발명에서 제안한 최소 노드 선택방법(MNS)에 대한 보안실패확률(SOP)의 수학적 모델이 된다. Equation 41 is a mathematical model of the probability of security failure (SOP) for the minimum node selection method (MNS) proposed in the present invention.

(2-3) 최적 노드 선택방법(optimal node selection(ONS) scheme)의 보안실패확률(SOP)(2-3) Security Failure Probability (SOP) of the optimal node selection (ONS) scheme

상기 수학식 13으로부터 최적 노드 선택방법(ONS)의 보안실패확률(SOP)은 다음의 수학식 42과 같이 정의할 수 있다. From Equation 13, the security failure probability (SOP) of the optimal node selection method (ONS) can be defined as in Equation 42 below.

Figure pat00115
Figure pat00115

상기 수학식 42 내의

Figure pat00116
는 다음 수학식 43와 같이 전개할 수 있다. in Equation 42 above
Figure pat00116
can be expanded as in Equation 43 below.

Figure pat00117
Figure pat00117

여기서,

Figure pat00118
이다. here,
Figure pat00118
am.

다른 불규칙 변수와

Figure pat00119
는 상호 배타적 관계이기 때문에
Figure pat00120
는 다음 수학식 44과 같이 표현할 수 있다. with other irregular variables
Figure pat00119
is a mutually exclusive relationship
Figure pat00120
can be expressed as in Equation 44 below.

Figure pat00121
Figure pat00121

여기서,

Figure pat00122
는 다음 수학식 45와 같이 전개할 수 있다. here,
Figure pat00122
can be expanded as in Equation 45 below.

Figure pat00123
Figure pat00123

상기 수학식 45에서

Figure pat00124
는 다음 수학식 46와 같이 표현할 수 있다. In Equation 45 above
Figure pat00124
can be expressed as in Equation 46 below.

Figure pat00125
Figure pat00125

상기 수학식 46의 적분을 계산하기 위해서 다음 수학식 47을 이용하면

Figure pat00126
는 수학식 48과 같이 표현된다. If the following Equation 47 is used to calculate the integral of Equation 46,
Figure pat00126
is expressed as Equation (48).

Figure pat00127
Figure pat00127

Figure pat00128
Figure pat00128

이후, 상기 수학식 48을 수학식 45에 대입하여 계산하면 다음 수학식 49과 같다. Thereafter, when Equation 48 is substituted into Equation 45 and calculated, Equation 49 is obtained.

Figure pat00129
Figure pat00129

다음 수학식 50와 수학식 51를 이용하여

Figure pat00130
을 계산하면 수학식 52과 같다. Using Equation 50 and Equation 51 below
Figure pat00130
is calculated as Equation 52.

Figure pat00131
Figure pat00131

Figure pat00132
Figure pat00132

Figure pat00133
Figure pat00133

상기 수학식 52을 수학식 45에 대입하여 정리하면 다음 수학식 53와 같다.By substituting Equation (52) into Equation (45), the following Equation (53) is obtained.

Figure pat00134
Figure pat00134

상기 수학식 53를 이항정리(

Figure pat00135
)를 이용하여 정리하면 다음 수학식 54과 같다. Using Equation 53 above, the binomial theorem (
Figure pat00135
), the following Equation 54 is obtained.

Figure pat00136
Figure pat00136

여기서 다시 한번 이항정리 사용해서

Figure pat00137
는 다음 수학식 55와 같다Here again, using the binomial theorem
Figure pat00137
is equal to the following Equation 55

Figure pat00138
Figure pat00138

여기서.

Figure pat00139
이다.here.
Figure pat00139
am.

상기 수학식 55를 수학식 53에 대입해서 정리하면 다음 수학식 56와 같다. By substituting Equation 55 into Equation 53, the following Equation 56 is obtained.

Figure pat00140
Figure pat00140

상기 수학식 56에서

Figure pat00141
을 계산하기 위해서
Figure pat00142
를 이용하여
Figure pat00143
를 정리하면 다음 수학식 57과 같다. In Equation 56 above
Figure pat00141
to calculate
Figure pat00142
using
Figure pat00143
To summarize, Equation 57 is given below.

Figure pat00144
Figure pat00144

상기 수학식 57의 적분을 계산하기 위해서 다음 수학식 58을 이용하면 수학식 59과 같다. If the following Equation 58 is used to calculate the integral of Equation 57, Equation 59 is obtained.

Figure pat00145
Figure pat00145

Figure pat00146
Figure pat00146

여기서,

Figure pat00147
는 위태커 함수(Whittaker function)이다. here,
Figure pat00147
is the Whittaker function.

상기 수학식 59를 수학식 56에 대입한 후 정리하면 다음 수학식 60과 같다. After substituting Equation 59 into Equation 56, the following Equation 60 is obtained.

Figure pat00148
Figure pat00148

상기 수학식 60을 수학식 42에 대입한 후 정리하면 다음 수학식 61과 같다. After substituting Equation 60 into Equation 42, the following Equation 61 is obtained.

Figure pat00149
Figure pat00149

상기 수학식 61은 본 발명에서 제안한 최적 노드 선택방법(ONS)에 대한 보안실패확률(SOP)의 수학적 모델이 된다. Equation 61 becomes a mathematical model of the probability of security failure (SOP) for the optimal node selection method (ONS) proposed in the present invention.

이하에서는 상술한 기준 노드 선택방법인 랜덤 노드 선택방법(RNS)에서의 보안실패확률(SOP)과, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 노드 선택방법인 최소 노드 선택방법(MNS) 및 최적 노드 선택방법(ONS)의 보안실패확률(SOP)을 비교하기로 한다. Hereinafter, the security failure probability (SOP) in the random node selection method (RNS), which is the reference node selection method described above, and the minimum node selection method (MNS) and the optimal node selection method (MNS) which are the opportunistic node selection methods proposed in the present invention ( The security failure probability (SOP) of ONS will be compared.

도 3은 파워비콘의 전송파워 증가에 따른 보안실패확률을 나타낸 것이다. 3 shows the probability of a security failure according to an increase in the transmission power of the power beacon.

도 3에 도시된 바와 같이, 파워비콘의 전송파워가 증가함에 따라 전체적으로 보안실패확률이 감소하여 보안 성능이 좋아지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 본 발명에서 제안된 모델이 데이터 전송기간에서 파워비콘을 통하여 도청자의 SNR을 감소시키기 위한 인위적인 잡음을 전파하기 때문이다. 또한, 기준 선택방법인 랜덤 노드 선택방법(RNS)과 달리, 기회주의적 노드 선택방법인 최소 노드 선택방법(MNS) 및 최적 노드 선택방법(ONS)은 노드선택시 채널상태를 고려하기 때문에 보안성능이 향상되는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명에서 제안한 노드 선택방법 중 보안채널용량을 고려한 최적 노드 선택방법(ONS)이 더 나은 성능을 보여주고 있는데, 이는 노드를 선택하기 위해서 더 많은 정보를 이용하기 때문에 더 나은 선택을 할 수 있기 때문이다. As shown in FIG. 3 , as the transmission power of the power beacon increases, the overall security failure probability decreases, and thus it can be confirmed that the security performance is improved. This is because the model proposed in the present invention propagates artificial noise to reduce the eavesdropper's SNR through the power beacon during the data transmission period. In addition, unlike the random node selection method (RNS), which is a standard selection method, the minimum node selection method (MNS) and the optimal node selection method (ONS), which are opportunistic node selection methods, have poor security performance because the channel state is considered when selecting a node. improvement can be seen. In particular, the optimal node selection method (ONS) considering the secure channel capacity among the node selection methods proposed in the present invention shows better performance. because there is

도 4는 에너지 하베스팅(EH) 비율에 따른 보안실패확률을 나타낸 것이다. 4 shows the security failure probability according to the energy harvesting (EH) ratio.

그림 4에 도시된 바와 같이, 모든 노드 선택방법이 아래로 볼록한 모양을 보여준다. 이를 통하여 에너지 하베스팅의 적절한 비율을 선택하는 것이 시스템에 중요한 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에와 마찬가지로 본 발명에서 제안한 기회주의적 노드 선택방법들(MNS, ONS)이 기준 노드 선택방법(RNS) 보다 나은 보안 성능을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.As shown in Figure 4, all node selection methods show a downward convex shape. Through this, it can be confirmed that selecting an appropriate ratio of energy harvesting has an important effect on the system. Also, as in FIG. 3 , it can be seen that the opportunistic node selection methods (MNS, ONS) proposed in the present invention show better security performance than the reference node selection method (RNS).

도 5는 홉수의 변화에 따른 보안실패확률을 나타낸 것이다. 5 shows the security failure probability according to the change in the number of hops.

도 5에 도시된 바와 같이, 모든 노드 선택방법이 홉수가 증가함에 따라 아래로 볼록한 모양을 갖는다. 이를 통하여 시스템 설정시 관리자는 최적의 홉수를 디자인할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 최적 노드 선택방법(ONS)이 클러스터 내 노드를 선택하기 위해서 많은 정보를 이용하기 때문에 제일 좋은 성능을 보여주고 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 5 , all node selection methods have a downward convex shape as the number of hops increases. Through this, it can be confirmed that the administrator can design the optimal number of hops when setting up the system. Also, it can be seen that the optimal node selection method (ONS) shows the best performance because it uses a lot of information to select a node in the cluster.

도 6은 클러스터 내 노드 수에 따른 보안실패확률을 나타낸 것이다. 6 shows the probability of security failure according to the number of nodes in the cluster.

그림 6에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제안된 노드 선택방법(MNS, ONS)은 채널정보를 이용하기 때문에 기준 노드 선택방법(RNS)과 달리 보안성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명에서 제안된 시스템은 기준 노드 선택방법(RNS)보다 보안적 측면에서 뛰어난 노드 선택방법임을 확인할 수 있다. As shown in Figure 6, it can be seen that the node selection method (MNS, ONS) proposed in the present invention improves security performance unlike the reference node selection method (RNS) because it uses channel information. Through this, it can be confirmed that the system proposed in the present invention is a superior node selection method in terms of security than the reference node selection method (RNS).

도 7은 파워비콘의 수에 따른 보안실패확률을 나타낸 것이다. 7 shows the security failure probability according to the number of power beacons.

도 7에 도시된 바와 같이, 파워비콘의 수가 증가하면 노드들의 전송파워도 증가하지만, 데이터 전송기간에 전파하는 인위적 노이즈의 세기도 함께 증가한다. 따라서, 도 7에서와 같이 보안 성능이 파워비콘의 수에 따라서 향상되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 기준 노드 선택방법인 랜덤 노드 선택방법(RNS)은 채널 상태를 고려하지 않기 때문에, 세가지의 노드 선택방법 중에서는 가장 약한 보안 성능을 보여준다. 반면, 본 발명에서 제안하는 기회주의적 노드 선택방법 중 최적 노드 선택방법(ONS)이 많은 채널 정보를 고려하기 때문에 제일 뛰어난 보안 성능을 보여주고 있다.. As shown in FIG. 7 , when the number of power beacons increases, the transmission power of nodes increases, but the intensity of artificial noise propagating during data transmission also increases. Accordingly, it can be seen that the security performance is improved according to the number of power beacons as shown in FIG. 7 . However, the random node selection method (RNS), which is the reference node selection method, shows the weakest security performance among the three node selection methods because the channel state is not considered. On the other hand, among the opportunistic node selection methods proposed in the present invention, the optimal node selection method (ONS) shows the best security performance because it considers a lot of channel information.

이와 같이, 본 발명에서는 에너지를 공급해주는 파워비콘에서 데이터 전송기간 동안 인의적 노이즈를 전파하여 도청자의 메시지 도청을 어렵게 하고, 기회주의적 스케쥴링 기법인 최소 노드 선택방법(MNS) 또는 최적 노드 선택방법(ONS)을 통하여 채널상태에 따라 노드들을 선택함으로서 보안 성능을 향상시킬 수 있게 된다.As described above, in the present invention, the power beacon that supplies energy propagates human noise during the data transmission period to make it difficult for eavesdroppers to eavesdrop on messages, and the minimum node selection method (MNS) or the optimal node selection method (ONS) which is an opportunistic scheduling technique ), the security performance can be improved by selecting nodes according to the channel state.

이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations can be made by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope of equivalents of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below. Of course, this can be done.

Power beacon : 파워비콘(PB)
Soure : 소스 노드
k-th cluster : 중간 노드
Destination : 목적지 노드
Eavesdropper : 도청자Power beacon : Power beacon (PB)
Source : source node
k-th cluster : middle node
Destination : destination node
Eavesdropper: Eavesdropper

Claims (9)

무선 센서 네크워크에서 데이터 전송을 위한 에너지를 공급하는 복수개(M)의 파워비콘(PB)과, 상기 파워비콘으로부터 에너지를 공급받아 데이터를 전송하는 클러스터 형태로 존재하는 노들들이 구비되는 멀티-홉 시스템에서,
(a) 상기 파워비콘이 각 노드들에게 에너지를 공급하여, 각 노드들이 에너지 하베스팅(EH)을 수행하여 에너지를 저장하는 단계와;
(b) 상기 에너지 하베스팅을 통하여 저장된 에너지를 이용하여 각 노들들이 데이터를 전송하는 데이터 전송기간 동안, 상기 파워비콘이 도청자의 도청 행위를 방해하기 위해서 인의적 노이즈를 발생시켜 노드들에게 전파하는 단계와;
(c) 상기 데이터 전송기간 동안, 각 클러스터에서 노드들이 기회주의적 스케쥴링 기법을 통해 채널 상태를 확인하여 채널 상태에 따라 데이터 송수신 노드를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
In a multi-hop system provided with a plurality of (M) power beacons (PB) supplying energy for data transmission in a wireless sensor network, and nodes existing in a cluster form that receive energy from the power beacons and transmit data ,
(a) the power beacon supplies energy to each node, and each node stores energy by performing energy harvesting (EH);
(b) During a data transmission period in which each node transmits data using the energy stored through the energy harvesting, the power beacon generates and propagates human noise to the nodes in order to interfere with the eavesdropper's eavesdropping behavior. Wow;
(c) during the data transmission period, nodes in each cluster check a channel state through an opportunistic scheduling technique and select a data transmission/reception node according to the channel state; Transport-based multi-hop system.
 제 1항에 있어서,
상기 데이터 송수신 노드를 선택하는 단계(c)에서,
상기 기회주의적 스케쥴링 기법은 각각의 클러스터에서 도청채널을 최소화하는 노드를 선택하는 도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS ; minimum node selection scheme) 또는 보안 채널용량을 최대로 하는 노드를 선택하는 최적 노드 선택방법(ONS ; optimal node selection scheme)인 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
The method of claim 1,
In the step (c) of selecting the data transmission/reception node,
The opportunistic scheduling scheme is an eavesdropping channel minimum node selection scheme (MNS) that selects a node that minimizes an eavesdropping channel in each cluster or an optimal node selection method that selects a node that maximizes the secure channel capacity ( Multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that ONS (optimal node selection scheme).
 제 2항에 있어서,
상기 노드들이 에너지 하베스팅(EH)을 수행하는 단계(a)에서,
상기 노드들이 파워비콘으로부터 공급받는 에너지는 수학식
Figure pat00150

(여기서,
Figure pat00151
는 전송받은 에너지 중 얼마만큼 데이터 전송에 사용되는지를 나타내는 에너지 변환 효율,
Figure pat00152
는 데이터 전송이 이루어지는
Figure pat00153
기간 중에서 에너지 하베스팅(EH)이 이루어지는 시간의 비율,
Figure pat00154
는 파워비콘의 전송 파워,
Figure pat00155
는 m번째 파워비콘과 k번째 홉의 i번째 노드 사이의 채널 효율을 나타낸다)을 통해 계산되고,
상기 에너지 하베스팅 이후 K 홉을 통해 데이터를 전송하는 노드들이 데이터 전송을 위해서 사용하는 에너지(
Figure pat00156
)는 수학식
Figure pat00157

을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
3. The method of claim 2,
In the step (a) of the nodes performing energy harvesting (EH),
The energy supplied by the nodes from the power beacon is expressed by the equation
Figure pat00150

(here,
Figure pat00151
is the energy conversion efficiency indicating how much of the received energy is used for data transmission,
Figure pat00152
is where the data transfer takes place
Figure pat00153
percentage of time during which energy harvesting (EH) takes place,
Figure pat00154
is the transmit power of the power beacon,
Figure pat00155
is calculated through the channel efficiency between the m- th power beacon and the i- th node of the k-th hop),
Energy used for data transmission by nodes transmitting data through K-hops after the energy harvesting (
Figure pat00156
) is the formula
Figure pat00157

Multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that calculated through
 제 3항에 있어서,
상기 파워비콘이 도청자의 도청 행위를 방해하기 위해서 인의적 노이즈를 발생시켜 노드들에게 전파하는 단계(b)에서,
각 노드에서의 신호대잡음비(SNR ; signal-to-noise ratio)(
Figure pat00158
)는 수학식
Figure pat00159

(여기서,
Figure pat00160
는 k번째 홉의 i번째 노드에서 k+1번째 홉의 j번째 노드 사이의 채널 효율,
Figure pat00161
는 수신 채널에 존재하는 잡음의 편차를 나타낸다)으로 계산되고,
도청자의 신호대간섭잡음비(SINR ; signal-to-interference-noise rati)(
Figure pat00162
)는 수학식
Figure pat00163

(여기서,
Figure pat00164
는 k번째 홉의 데이터 전송을 위한 i번째 노드와 도청자 E 사이의 채널 효율,
Figure pat00165
는 k번째 홉의 데이터 전송을 위한 m번째 파워비콘의 인위적 노이즈 신호의 채널 효율을 나타낸다)으로 계산되는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
4. The method of claim 3,
In the step (b) of the power beacon generating and propagating human noise to nodes in order to interfere with the eavesdropping behavior of the eavesdropper,
Signal-to-noise ratio (SNR) at each node (
Figure pat00158
) is the formula
Figure pat00159

(here,
Figure pat00160
is the channel efficiency between the i-th node of the k-th hop and the j-th node of the k+1th hop,
Figure pat00161
represents the deviation of the noise present in the receiving channel),
eavesdropper's signal-to-interference-noise ratio (SINR) (
Figure pat00162
) is the formula
Figure pat00163

(here,
Figure pat00164
is the channel efficiency between the i-th node and the eavesdropper E for the k-th hop data transmission,
Figure pat00165
represents the channel efficiency of the artificial noise signal of the mth power beacon for data transmission of the kth hop).
 제 4항에 있어서,
상기 기회주의적 스케쥴링 기법 중,
도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS)은 각각의 클러스터에서 도청 채널을 최소화화하기 위해 수학식
Figure pat00166

(여기서, i*는 데이터 전송을 위한 k-1번째 클러스터에서 선택된 노드를 나타낸다)을 통해 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
5. The method of claim 4,
Among the opportunistic scheduling techniques,
The eavesdropping channel minimum node selection method (MNS) is an equation to minimize the eavesdropping channel in each cluster.
Figure pat00166

A multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that a node is selected through (here, i * represents a node selected from the k-1 th cluster for data transmission).
제 5항에 있어서,
상기 도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS)에 의해 선택된 노드들 사이의 신호대잡음비(SNR)는 수학식
Figure pat00167

(여기서, i*는 k번째 hop(전송)에서 데이터 전송을 위해서 k-1번째 클러스터에서 선택되는 노드를 의미하고, j*는 데이터 수신을 위해서 데이터 k번째 클러스터에서 선택된 노드를 나타낸다)으로 계산되고,
선택 노드와 도청자(E) 사이의 신호대잡음비(SNR)는 수학식
Figure pat00168

으로 계산되는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
6. The method of claim 5,
The signal-to-noise ratio (SNR) between nodes selected by the eavesdropping channel minimum node selection method (MNS) is the equation
Figure pat00167

(here, i * means a node selected from the k-1th cluster for data transmission at the k-th hop (transmission), and j * represents a node selected from the data k-th cluster for data reception) ,
The signal-to-noise ratio (SNR) between the selection node and the eavesdropper (E) is
Figure pat00168

Multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that calculated as
 제 6항에 있어서,
상기 도청 채널 최소 노드 선택방법(MNS)의 보안실패확률(SOP ; Secrecy Outage Probability)은 수학식
Figure pat00169

(여기서,
Figure pat00170
,
Figure pat00171
,
Figure pat00172
,
Figure pat00173
,
Figure pat00174
는 k번째 홉의 i번째 전송노드와 j번째 수신노드 사이의 평균 채널이득,
Figure pat00175
는 k번째 홉에서 i번째 전송노드와 도청자(E)사이의 평균채널이득,
Figure pat00176
는 k번째 홉에서 파워비콘과 도청자(E)사이의 평균채널이득,
Figure pat00177
는 파워비콘과 k번째 홉에서 i번째 전송노드사이의 평균채널이득,
Figure pat00178
는 제2종 베셀함수,
Figure pat00179
는 감마함수,
Figure pat00180
는 상부 불완전 감마 함수를 나타낸다)으로 계산되는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
7. The method of claim 6,
The security failure probability (SOP; Secrecy Outage Probability) of the eavesdropping channel minimum node selection method (MNS) is
Figure pat00169

(here,
Figure pat00170
,
Figure pat00171
,
Figure pat00172
,
Figure pat00173
,
Figure pat00174
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the j-th receiving node of the k-th hop,
Figure pat00175
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the eavesdropper (E) at the k-th hop,
Figure pat00176
is the average channel gain between the power beacon and the eavesdropper (E) at the kth hop,
Figure pat00177
is the average channel gain between the power beacon and the i-th transmitting node at the k-th hop,
Figure pat00178
is the second kind Bessel function,
Figure pat00179
is the gamma function,
Figure pat00180
represents the upper incomplete gamma function), characterized in that the multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission.
 제 4항에 있어서,
상기 기회주의적 스케쥴링 기법 중,
최적 노드 선택방법(ONS)은 보안 채널용량을 최대로 하기 위해 수학식
Figure pat00181

(여기서, i*는 k번째 hop(전송)에서 데이터 전송을 위해서 k-1번째 클러스터에서 선택되는 노드를 의미하고, j*는 데이터 수신을 위해서 데이터 k번째 클러스터에서 선택된 노드를 나타낸다)을 통해 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.
5. The method of claim 4,
Among the opportunistic scheduling techniques,
The optimal node selection method (ONS) is an equation to maximize the secure channel capacity.
Figure pat00181

(here, i * denotes a node selected from the k-1th cluster for data transmission at the kth hop (transmission), and j * denotes a node selected from the kth cluster for data reception) Multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that selecting
 제 8항에 있어서,
상기 최적 노드 선택방법(ONS)의 보안실패확률(SOP ; Secrecy Outage Probability)은 수학식
Figure pat00182

(여기서,
Figure pat00183
,
Figure pat00184
,
Figure pat00185
,
Figure pat00186
,
Figure pat00187
는 k번째 홉의 i번째 전송노드와 j번째 수신노드 사이의 평균 채널이득,
Figure pat00188
는 k번째 홉에서 i번째 전송노드와 도청자(E)사이의 평균 채널이득,
Figure pat00189
는 k번째 홉에서 파워비콘과 도청자(E)사이의 평균 채널이득,
Figure pat00190
는 파워비콘과 k번째 홉에서 i번째 전송노드사이의 평균 채널이득,
Figure pat00191
는 제2종 베셀함수,
Figure pat00192
는 감마 함수,
Figure pat00193
는 상부 불완전 감마 함수,
Figure pat00194
는 위태커 함수(Whittaker function)를 나타낸다)으로 계산되는 것을 특징으로 하는 기회주의적 스케쥴링과 무선파워전송 기반의 멀티-홉 시스템.9. The method of claim 8,
The security failure probability (SOP; Secrecy Outage Probability) of the optimal node selection method (ONS) is the equation
Figure pat00182

(here,
Figure pat00183
,
Figure pat00184
,
Figure pat00185
,
Figure pat00186
,
Figure pat00187
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the j-th receiving node of the k-th hop,
Figure pat00188
is the average channel gain between the i-th transmitting node and the eavesdropper (E) at the k-th hop,
Figure pat00189
is the average channel gain between the power beacon and the eavesdropper (E) at the kth hop,
Figure pat00190
is the average channel gain between the power beacon and the i-th transmitting node at the k-th hop,
Figure pat00191
is the second kind Bessel function,
Figure pat00192
is the gamma function,
Figure pat00193
is the upper incomplete gamma function,
Figure pat00194
A multi-hop system based on opportunistic scheduling and wireless power transmission, characterized in that calculated by a Whittaker function).
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