WO2016148440A2 - 무선 네트워크에서의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드 - Google Patents

무선 네트워크에서의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드 Download PDF

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이재홍
최용윤
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04K—SECRET COMMUNICATION; JAMMING OF COMMUNICATION
    • H04K3/00—Jamming of communication; Counter-measures

Definitions

  • the present invention relates to a transmission power distribution method and a transmission node performing the same in a wireless network, and more particularly, to a transmission power distribution method of a transmission node for achieving an optimal secure transmission rate in a wireless network environment in which an eavesdropper exists.
  • Wireless communication is a method of transmitting a signal to the atmosphere by using electromagnetic waves or receiving a signal in the atmosphere to perform communication. Therefore, if an unauthorized third party (hereinafter referred to as an eavesdropper) is located close to the reception target and knows the encoding method of the signal transmitted to the reception target, it is possible to eavesdrop the secret signal and easily extract the secret information between the two. Have a risk
  • a transmitting node transmits a message at a first transmission power to a receiving node through a repeater and transmits a first jamming signal at a second transmission power.
  • the power distribution method includes collecting channel information for a wireless network; Calculating total data rate of the wireless network based on the channel information when the total channel information of the wireless network is collected; And calculating a power allocation ratio between the first transmit power and the second transmit power such that the secure transmission rate is maximized, wherein the secure transmission rate is calculated in consideration of the receiving node side signal-to-noise ratio and the eavesdropper node side signal-to-noise ratio. It is characterized by.
  • the receiving node may transmit the second jamming signal at the receiving node side transmission power.
  • calculating the secure transmission rate of the wireless network includes calculating a signal-to-noise ratio of the signal received at the receiving node when the signal is transmitted at the repeater side transmission power at the repeater, The noise ratio may be calculated based on the first transmit power, the repeater side transmit power, the receive node side transmit power, and the noise variance.
  • calculating the secure transmission rate of the wireless network may include calculating a first signal to noise ratio of the first signal received at the eavesdropper node when the message is transmitted at the first transmission power; And calculating a second signal to noise ratio of the second signal received at the eavesdropper node when the noise signal is transmitted at the second transmit power.
  • calculating the first signal-to-noise ratio of the signal received at the eavesdropper node may be based on the first transmit power, the receive node side transmit power, and the noise variance.
  • calculating the second signal-to-noise ratio of the signal received at the eavesdropper node may be based on the first transmit power, the repeater side transmit power, the receive node side transmit power, and the noise variance of the transmit node.
  • the transmission power distribution method of the transmission node if the entire channel information is not collected for the wireless network, defining a security instability probability that is the probability that the secure transmission rate is below a predetermined threshold ; And calculating a power allocation ratio between the first transmission power and the second transmission power such that the probability of security insecurity is minimized.
  • a transmitting node transmitting a message at a first transmission power to a receiving node through a repeater and transmitting a first jamming signal at a second transmission power is wireless.
  • a secure transmission rate calculator configured to calculate a secure transmission rate of the wireless network based on the channel information when all channel information about the wireless network is collected;
  • a transmission power factor calculator for calculating a power allocation ratio between the first transmission power and the second transmission power such that the secure transmission rate is maximized, wherein the secure transmission rate takes into account the reception node side signal-to-noise ratio and the eavesdropper node side signal-to-noise ratio. Can be calculated.
  • the receiving node may transmit the second jamming signal at the receiving node side transmission power.
  • the secure rate calculator calculates a signal-to-noise ratio of the signal received at the receiving node when the signal is transmitted at the repeater side transmission power from the repeater, but the signal-to-noise ratio of the signal at the receiving node side is the first transmission power, the repeater side transmission. It can be calculated based on power, receiving node side transmit power and noise variance.
  • the secure rate calculator may be configured to receive the first signal-to-noise ratio of the first signal received at the eavesdropper node when the message is transmitted at the first transmit power, and to receive the noise signal at the eavesdropper node when the noise signal is transmitted at the second transmit power.
  • a second signal to noise ratio of the second signal can be calculated.
  • the secure data rate calculator may calculate a first signal-to-noise ratio of the signal received at the eavesdropper node based on the first transmission power, the reception node side transmission power, and the noise variance.
  • the secure rate calculator may calculate a second signal-to-noise ratio of the signal received at the eavesdropper node based on the first transmit power, the repeater side transmit power, the receive node side transmit power, and the noise variance of the transmit node.
  • a security inability probability definition unit for defining a security inability probability that is a probability that the security transmission rate is less than or equal to a preset threshold value is further included.
  • the transmission power factor calculator may calculate a power allocation ratio between the first transmission power and the second transmission power such that the probability of security insecurity is minimized.
  • the transmitting node and the receiving node generate jamming signals, so that no additional node for jamming is caused, and the transmission power at the transmitting node also distributes predetermined power. Since the jamming signal is transmitted, no additional power is consumed, and the transmission power can be distributed to maximize the secure transmission rate of the network.
  • the transmission power can be distributed in different ways in consideration of the collection of channel information, thereby improving the security inability of the network. .
  • FIG. 1A and 1B are conceptual views illustrating a wireless network environment according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a transmission power distribution method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of a step of calculating a secure transmission rate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a transmitting node according to an embodiment of the present invention.
  • the transmission power distribution method according to an embodiment of the present invention and the transmitting node performing the same use the jamming signal to maximize the secure transmission rate without causing additional nodes and power consumption in the wireless network that prevents the eavesdropper's signal eavesdropping.
  • the term secure transmission rate can be defined when the transmitting node knows all the channel information, and the secure transmission rate is defined as the difference between the capacity that can be achieved at the receiving node and the capacity that can be achieved at the eavesdropper node. Examples of a wireless network environment to which a transmission power distribution method and a transmission node according to an embodiment of the present invention are applied are shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the transmitting node 11 transmits the signal divided into two stages. That is, the transmitting node 11 transmits a message in the first step (see FIG. 1A), and transmits a transmitting node side jamming signal (hereinafter referred to as the first jamming signal) in the second step (see FIG. 1B).
  • the transmitting node 11 transmits a message in the first step (see FIG. 1A), and transmits a transmitting node side jamming signal (hereinafter referred to as the first jamming signal) in the second step (see FIG. 1B).
  • the transmitting node 11 transmits a message x at the first transmit power P s1
  • the receiving node 14 receives the receiving node side at the receiving node side transmit power P d .
  • a jamming signal z d (hereinafter referred to as a second jamming signal) is transmitted. That is, when transmitting a message from the transmitting node 11 to the relay 12, the relay 12 not only receives the message x transmitted from the transmitting node 11 but also the jamming signal transmitted from the receiving node 14 ( z d ) will also be received.
  • the repeater-side first received signal received by the repeater 12 may be expressed by Equation 1 below.
  • Equation 1 the sign y r represents a relay-side first signal received through the first step in the repeater 12, x represents a message transmitted from the transmitting node 11, and z d represents a receiving node 14 )
  • the receiving node side jamming signal i.e., the second jamming signal
  • h ab represents the channel coefficient between node a and node b
  • n r is 0 in the repeater 12
  • the variance is N.
  • the subscript r denotes a repeater and the subscript s denotes a transmitting node.
  • the message When transmitting a message at the transmitting node 11, the message is transmitted not only to the repeater 12 but also to the eavesdropper node 13 adjacent to the transmitting node 11. Similarly, the second jamming signal transmitted from the receiving node 14 is also transmitted to the eavesdropper node 13 adjacent to the receiving node 14. Therefore, the signal received by the eavesdropper node 13 may be expressed by Equation 2 below.
  • the signal received at the eavesdropper node 13 in the first stage has a signal almost similar to the signal received at the repeater 12 mentioned in Equation (1).
  • the subscript e denotes the eavesdropper node
  • the symbol n e1 represents the added white Gaussian noise having an average of 0 and a variance of N 0 received at the eavesdropper node 13 in the first step.
  • the repeater 12 when the repeater 12 receives the message from the first transmitting node 11, after amplifying the received signal represented by the equation (1), it is retransmitted to the repeater side transmission power (P r )
  • the amplified signal (ie, amplified message) is transmitted to the receiving node 14 through the technique.
  • the time point at which the repeater 12 transmits the amplified signal to the receiving node 14 is preferably performed when the transmitting node generates a jamming signal (ie, the first jamming signal) in the second step and transmits the same.
  • the signal received by the receiving node 14 may be expressed as Equation 3 below.
  • the signal received at the receiving node 14 is equal to the signal h rd g r y r transmitted from the repeater 12 and an additive white Gaussian noise having an average of 0 and a variance of N 0 (n). d ).
  • h rd denotes a channel coefficient between the repeater 12 and the receiving node 14
  • g r denotes an amplification coefficient of the repeater 12.
  • the signal h rd g r y r transmitted from the repeater 12 includes not only the message transmitted from the transmitting node 11, but also the added white Gaussian noise n r present in the repeater 12, and the receiving node.
  • the receiving node 14 removes the second jamming signal generated by the receiving node 14 from the signal received from the repeater 12.
  • the second jamming signal is removed, that is, the signal processed by the receiving node 14 may be expressed as Equation 4 below.
  • the transmitting node 21 transmits the first jamming signal Z s at the second transmission power P s2 .
  • the first jamming signal Z s transmitted at the transmitting node 21 may be transmitted and forwarded to the eavesdropper node 23.
  • the signal received at the eavesdropper node 23 through this second step may be expressed by Equation 5 below.
  • n e2 represents an additive white Gaussian noise with an average of 0 at the eavesdropper node 23 and a variance of N 0 .
  • the eavesdropper node 23 may attempt to decode the signal received in the first step and the signal received in the second step by using a SC (selection combining) technique, but due to two jamming signals and noise per one period, It's not easy to decode the signal.
  • SC selection combining
  • the transmission power distribution method further transmits a jamming signal at the transmitting node in the manner described above so as not to configure a separate jamming node or cause additional power consumption, and transmits a message and a jamming signal.
  • the goal is to maximize the transmission rate by optimizing power distribution.
  • the transmission power distribution method according to an embodiment of the present invention is preferably applied to a transmitting node rather than a repeater or a receiving node. The reason for this is as follows.
  • a security transmission rate may be defined or insecure based on whether the transmitting node can grasp all channel information existing in the wireless network environment. This can be done by defining a secrecy outage probability. This is because when the transmitting node cannot grasp the entire channel information existing in the wireless network environment, that is, when it knows only statistical information and not accurate information about the channel information from the transmitting node to the eavesdropper node, the secure transmission rate cannot be determined. . Accordingly, the transmission power distribution method according to an embodiment of the present invention maximizes the security transmission rate if it can be defined, or if the security transmission rate cannot be defined, the optimal power distribution can be performed by minimizing the probability of security insecurity. Can be.
  • a first step of collecting channel information is made.
  • Channel information made through the step S110 may include channel information for all channels included in the wireless network environment.
  • the wireless network environment is not always constant, and there may be a situation in which the entire channel information is not collected through the S110 step due to various variables.
  • step S110 determining whether overall channel information is collected in the entire wireless network environment is performed (S120). If it is determined in step S120 that all channel information is collected, then control is passed to step S130. Otherwise, control passes to a step S150.
  • the reason for performing the determination process through step S120 is to determine whether the security transmission rate can be calculated as described above.
  • the transmit power coefficient ⁇ is used to optimize the first transmit power used when transmitting a message at the transmitting node and the second transmit power used when transmitting the jamming signal through calculation with the power of the transmitting node.
  • the optimal transmission power coefficient ⁇ opt may be expressed as Equation 6 below.
  • ⁇ opt represents a transmission power factor to be found and R represents a secure transmission rate.
  • the secure transmission rate (R) may be defined when the transmitting node knows all the channel information, and the secure transmission rate (R) may be defined as the difference between the capacity that can be achieved in the receiving node and the capacity that can be achieved in the eavesdropper node.
  • the secure transmission rate R may be expressed as in Equation 7 below.
  • Equation 7 R denotes a secure transmission rate, and rd, re1 and re2 denote signal-to-noise ratios, respectively.
  • ⁇ d represents the signal-to-noise ratio of the signal received at the receiving node when the signal is transmitted at the repeater side transmission power at the repeater
  • ⁇ e1 transmits the message at the first transmission power P s1 at the transmitting node.
  • ⁇ e2 is a second signal received at the eavesdropper node when transmitting the first jamming signal at a second transmit power at the transmitting node. Denotes the second signal to noise ratio of.
  • the transmission node in order to prevent reception of a signal made at the eavesdropper node, transmits the first jamming signal at the second transmission power P s2 and receives the reception node.
  • the second jamming signal is characterized in that for transmitting. Accordingly, in the transmission power distribution method according to an embodiment of the present invention, the first transmission power P s1 and the second transmission power P s2 of the transmitting node, the relay side transmission power P r of the repeater, and the receiving node.
  • the secure transmission rate R and the optimal transmission power coefficient ⁇ opt may be calculated in consideration of the reception node side transmission power P d .
  • the transmission power distribution method calculates a secure transmission rate (R) in consideration of the signal noise ratio of the signal received at the receiving node and the signal-to-noise ratio of the two signals received at the eavesdropper node. Accordingly, the transmission power factor may also be calculated in consideration of the receiving node and the repeater.
  • the signal-to-noise ratio ⁇ d of the signal received at the receiving end may be defined by Equation 8 below based on Equation 4 described above.
  • N 0 represents the variance of the additive white Gaussian noise
  • P s1 represents the first transmit power of the transmitting node
  • P r represents the repeater side transmit power of the repeater
  • P d represents the receiving node side of the receiving node.
  • h sr denotes a channel coefficient between the transmitting node and the relay period
  • h rd denotes a channel coefficient between the repeater and the receiving node.
  • the first signal-to-noise ratio ( ⁇ d1 ) of the first signal received at the eavesdropper node may be defined as in Equation 9 below.
  • the second signal-to-noise ratio ⁇ e2 of the second signal received at the eavesdropper node is expressed by Equation 10 below. Can be defined. Equations 9 and 10 may be derived with reference to Equations 2 and 5 described above.
  • the optimal transmit power factor ( ⁇ opt ) through the step S140 is expressed by Equation 6 above. It can be calculated at differentiation with respect to the transmission power coefficient ⁇ in.
  • a security failure probability P 0 ⁇ is defined as a probability that the security transmission rate R becomes less than or equal to a predetermined threshold probability R t .
  • a step (S160) of calculating a transmission power factor ⁇ opt is performed so that the insecure probability P 0 -is minimized.
  • a method of finding an optimal transmit power coefficient ⁇ opt made through step S160 may be defined as in Equation 11 below.
  • step S160 may calculate a transmission power factor having a minimum probability of security insecurity.
  • an optimal transmission power coefficient ⁇ opt may be obtained by differentiating the transmission power coefficient ⁇ .
  • the transmission power coefficient ⁇ opt is derived through the step S140 or S160, that is, when the power allocation ratio between the first transmission power and the second transmission power is determined, the first transmission is performed based on the transmission power coefficient ⁇ opt . Calculating the power and the second transmission power (S170) is made.
  • a message is transmitted at the transmission power calculated at step S170, that is, at the first transmission power (S180), and at step S190, the first jamming signal is transmitted at the second transmission power.
  • the transmission node defines a secure transmission rate or an inability to secure the security according to the collected channel information, and based on the first transmission power and the first transmission power, 2
  • the transmission power can be optimally distributed. Accordingly, the transmitting node has an advantage of optimally transmitting messages and jamming signals through power distribution within a predetermined power without requiring additional power consumption for jamming.
  • step (S130) of calculating a secure transmission rate according to an embodiment of the present invention represents a step performed when collection of all-channel information in a wireless network is made.
  • a step S131 of calculating a signal-to-noise ratio of a signal received at a receiving node is performed.
  • the signal received at the receiving node mentioned in step S131 represents a signal transmitted at the repeater side transmission power at the repeater.
  • the signal-to-noise ratio of the signal received at the receiving node calculated in step S131 may include the first transmission power of the transmitting node, the repeater side transmission power of the repeater, the receiving node side transmission power of the receiving node, the transmitting node and the relay period channel coefficients, and the like. It may be calculated in consideration of the channel coefficient between the repeater and the receiving node. Since the calculation method made through the step S131 has been described in detail with reference to Equation 8 above, further description is omitted.
  • Step S132 is a step of calculating a first signal-to-noise ratio of the first signal received at the eavesdropper node when transmitting a message at a first transmission power at the transmitting node, and step S133 is jamming at a second transmission power at the transmitting node.
  • step S133 is jamming at a second transmission power at the transmitting node.
  • step S132 may be performed based on the characteristics of the first signal, based on the first transmission power, reception node side transmission power, and noise dispersion, and step S133 may be performed by the characteristics of the second signal. 1 may be based on transmit power, repeater side transmit power, receive node side transmit power, and noise variance. Since the descriptions of the steps S132 and S133 have been described in detail with reference to Equations 9 and 10 above, further description will be omitted.
  • steps S131 to S133 are shown to be sequentially performed, but this is only an example, and each step may be performed in various combinations of orders or in a parallel relationship.
  • Step S134 may be performed in consideration of the reception node side signal-to-noise ratio and the eavesdropper node side signal-to-noise ratio. Since the method for calculating the secure transmission rate in step S134 has been described in detail with reference to Equations 6 and 7 above, further description thereof will be omitted.
  • the transmission node 100 may be defined as a node in which the transmission power distribution method described with reference to FIGS. 2 and 3 is implemented. That is, the transmitting node 100 defines a secure transmission rate or an incapacity probability based on whether the channel information is collected, and calculates an optimal transmission power by calculating a transmission power factor based on the secure transmission rate or the insecurity probability. do.
  • the transmitting node 100 is a signal generator 110, information collector 120, channel information determiner 130, secure transmission rate calculator 140, security indetermination probability definition
  • the unit 150 may include a transmission power factor calculator 160 and a transmission power calculator 170.
  • each of the components included in the transmitting node 100 according to an embodiment of the present invention is divided into functions for explaining an embodiment of the present invention, and in fact, one such as a CPU, an MPU, or a GPU. It can be implemented in the processing unit configuration of.
  • a description will be given of the transmitting node 100 according to an embodiment of the present invention with reference to FIG. In the following description is omitted to omit the overlapping parts described above.
  • the signal generator 110 generates a message and a first jamming signal.
  • the transmitting node 100 may transmit a message at the first transmission power, and transmit the first jamming signal at the second transmission power to disturb the eavesdropper node. have.
  • the receiving node since the receiving node transmits the second jamming signal at the receiving node side transmission power, cooperative jamming may be performed between the transmitting node 100 and the receiving node according to an embodiment of the present invention.
  • the information collecting unit 120 collects channel information of a wireless network to which the transmitting node 100 belongs through the communication unit 180.
  • the channel information determiner 130 determines whether all channel information has been collected based on the channel information collected through the information collector 120. As described above, the transmitting node 100 according to an embodiment of the present invention calculates the transmission power coefficient by performing different processes based on whether or not the secure transmission rate can be calculated, the channel information determination unit 130 is secure It is a configuration for determining whether or not the transmission rate can be calculated. As a result of the determination through the channel information determining unit 130, when the secure transmission rate can be calculated, that is, when the entire channel information is collected, the control is transferred to the secure transmission rate calculating unit 140. Otherwise, control is passed to the insecure probability definition unit 150.
  • the secure transmission rate calculator 140 calculates the secure transmission rate for the wireless network when the receiving node 100 knows all channel information of the wireless network.
  • the secure transmission rate may be defined as the difference between the capacity that can be achieved at the receiving node 100 and the capacity that can be achieved at the eavesdropper node.
  • the secure transmission rate may be calculated in consideration of the reception node side signal to noise ratio and the eavesdropper node side signal to noise ratio.
  • the signal-to-noise ratio of the reception node side signal may be calculated based on the first transmission power, the relay side transmission power, the reception node side transmission power, and the noise variance.
  • the first signal-to-noise ratio of the first signal received at the eavesdropper node may be calculated based on the first transmission power, the reception node side transmission power, and the noise variance
  • the second signal-to-noise ratio of the second signal received at the eavesdropper node when the jamming signal is transmitted at the second transmit power is based on the transmit node's first transmit power, repeater side transmit power, receive node side transmit power, and noise variance. It can be calculated as.
  • the secure transmission rate and the specific calculation method of the signal-to-noise ratios have been described above with reference to Equations 7 to 10, further description thereof will be omitted.
  • the transmission power factor calculator 160 calculates a transmission power factor such that the secure transmission rate calculated by the secure transmission rate calculator 140 is the maximum.
  • a method of calculating the transmission power coefficient through the transmission power coefficient calculating unit 160 has been described in detail with reference to Equation 6 above, and thus, further description thereof will be omitted.
  • the non-security probability defining unit 150 functions to define an insecurity probability when the entire channel information is not collected, that is, when only the statistical channel information is provided for the eavesdropper node. As described above, since the secure transmission rate can be calculated only when the entire channel information exists, a process of defining the insecurity probability is required.
  • the transmission power factor calculator 160 calculates a transmission power factor such that the security failure probability defined by the security failure probability definition unit 150 is minimized. That is, the transmission power factor calculation unit 160 may calculate the security instability probability defined by the security insecurity probability definition unit 150 and perform derivatives on the transmission power factor to obtain an optimal transmission power factor.
  • the transmission power factor calculation unit 160 may calculate the security instability probability defined by the security insecurity probability definition unit 150 and perform derivatives on the transmission power factor to obtain an optimal transmission power factor.
  • the transmission power calculating unit 170 may generate the first transmission power and the first transmission power based on the transmission power coefficient calculated by the transmission power coefficient calculating unit 160, that is, the power allocation ratio between the first transmission power and the second transmission power. 2 Function to calculate the transmit power.
  • the transmitting node 100 may transmit a message at the first transmission power through the communication unit 180 and transmit the first jamming signal at the second transmission power.

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Abstract

본 발명은 무선 네트워크에서 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 도청자가 존재하는 무선 네트워크에서 송신 노드와 수신 노드에서 재밍 신호를 전송하는 기법에서, 송신 전력의 송신 전력을 최적으로 분배하여 보안 전송률을 최대화할 수 있는 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드에 관한 것이다.

Description

무선 네트워크에서의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드
본 발명은 무선 네트워크에서 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드에 관한 것이고, 보다 상세하게 도청자가 존재하는 무선 네트워크 환경에서 최적의 보안 전송률을 달성하기 위한 송신 노드의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드(METHOD FOR DISTRIBUTING TRANSMITTING POWER IN WIRELESS NETWORK AND TRANSMITTING NODE FOR PERFORMING THE SAME)에 관한 것이다.
최근 무선통신 관련 기술이 빠르게 발전하며 다양한 형태의 무선 통신 네트워크가 구축되고 있다. 무선 통신은 전자기파를 이용하여 대기로 신호를 송출하거나 대기 중의 신호를 수신하여 통신을 수행하는 방식이다. 따라서, 허가되지 않은 제 3자(이하, 도청자)가 수신 대상과 근접하여 위치하고, 수신 대상으로 송신되는 신호의 부호화 방식을 알고 있다면, 송신 신호를 도청하여 둘 사이의 비밀 정보를 쉽게 빼낼 수 있는 위험을 가지고 있다
이에 관련하여, 최근에는 무선 채널의 물리적인 특성을 재밍(jamming) 및 도청 방지 등에 응용하려는 연구가 시도되었으며 이를 물리 계층 보안이라고 통칭한다. 이러한 재밍 신호를 이용하는 방식의 경우, 도청자의 도청 확률을 감소시킬 수 있는 장점이 존재한다. 이렇게 재밍 신호를 이용한 물리 계층 보안 분야에서는 보안 전송률이 중요하다. 하지만, 종래의 기술의 경우 보안 전송률을 높이기 위해 추가적인 노드들을 추가하거나, 재밍 신호를 증가시키는 방법들이 제안되었다. 하지만 이들 방법의 경우, 추가적인 노드 또는 추가적인 전력 소모를 야기하는 문제점이 존재한다.
이에 관련하여, 종래에는 발명의 명칭이 "네트워크 부호화 기반의 인위적 잡음을 활용한 보안 통신 장치 및 방법"인 한국등록특허 제1135345호가 존재한다.
본 발명은 재밍 신호를 이용하여 도청자의 신호 도청을 방해하는 무선 네트워크에서 추가적인 노드 및 전력 소모를 야기하지 않고 보안 전송률을 최대화시킬 수 있는 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 도청자가 존재하는 무선 네트워크에서 중계기를 통해 수신 노드로 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법은 무선 네트워크에 대한 채널 정보를 수집하는 단계; 무선 네트워크에 대한 전체 채널 정보가 수집된 경우, 채널 정보를 근거로 상기 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계; 및 보안 전송률이 최대가 되도록 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 단계를 포함하고, 보안 전송률은 수신 노드 측 신호 대 잡음비와 도청자 노드 측 신호 대 잡음비를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 무선 네트워크에서 수신 노드는 수신 노드측 송신 전력으로 제 2 재밍 신호를 송신할 수 있다.
또한, 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계는 중계기에서 중계기측 송신 전력으로 신호가 송신될 때, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 산출하는 단계를 포함하고, 수신 노드 측 신호의 신호 대 잡음비는 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출될 수 있다.
또한, 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계는 제 1 송신 전력으로 메시지가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 단계; 및 제 2 송신 전력으로 잡음 신호가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 단계는 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어질 수 있다.
또한, 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 단계는 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드의 송신 전력 분배 방법은 무선 네트워크에 대해 전체 채널 정보를 수집하지 못한 경우, 보안 전송률이 기설정된 임계값 이하가 될 확률인 보안 불능 확률을 정의하는 단계; 및 보안 불능 확률이 최소가 되도록 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 도청자가 존재하는 무선 네트워크에서 중계기를 통해 수신 노드로 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신하는 송신 노드는 무선 네트워크에 대한 채널 정보를 수집하는 정보 수집부; 무선 네트워크에 대한 전체 채널 정보가 수집된 경우, 채널 정보를 근거로 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 보안 전송률 산출부; 및 보안 전송률이 최대가 되도록 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 송신 전력 계수 산출부를 포함하고, 보안 전송률은 수신 노드 측 신호 대 잡음비와 도청자 노드 측 신호 대 잡음비를 고려하여 산출될 수 있다.
또한, 무선 네트워크에서 수신 노드는 수신 노드측 송신 전력으로 제 2 재밍 신호를 송신할 수 있다.
또한, 보안 전송률 산출부는 중계기에서 중계기측 송신 전력으로 신호가 송신될 때, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 산출하되, 수신 노드 측 신호의 신호 대 잡음비는 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출될 수 있다.
또한, 보안 전송률 산출부는 제 1 송신 전력으로 메시지가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비와, 제 2 송신 전력으로 잡음 신호가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출할 수 있다.
또한, 보안 전송률 산출부는 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출할 수 있다.
또한, 보안 전송률 산출부는 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드는 무선 네트워크에 대해 전체 채널 정보를 수집하지 못한 경우, 보안 전송률이 기설정된 임계값 이하가 될 확률인 보안 불능 확률을 정의하는 보안 불능 확률 정의부를 더 포함하고, 송신 전력 계수 산출부는 보안 불능 확률이 최소가 되도록 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출할 수 있다.
본 발명의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드에 따르면 송신 노드 및 수신 노드에서 재밍 신호를 발생시키므로 재밍을 위한 추가적인 노드를 야기하지 않고, 송신 노드에서의 송신 전력도 기정해진 전력을 분배하여 메시지 및 재밍 신호를 송신하므로, 추가적인 전력을 소모하지 않으며, 네트워크의 보안 전송률이 최대가 되도록 송신 전력을 분배할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드에 따르면 채널 정보의 수집 여부를 고려하여 각기 다른 방식으로 송신 전력을 분배할 수 있어서, 네트워크의 보안 불능 확률도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 환경을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 전송률을 산출하는 단계에 대한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드에 대한 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
상술한 것처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드는 재밍 신호를 이용하여 도청자의 신호 도청을 방해하는 무선 네트워크에서 추가적인 노드 및 전력 소모를 야기하지 않고 보안 전송률을 최대화시키는 것을 목적으로 한다. 여기서, 용어 보안 전송률은 송신 노드가 모든 채널 정보를 아는 경우 정의될 수 있으며, 보안 전송률은 수신 노드에서 달성할 수 있는 수용량과 도청자 노드에서 달성할 수 있는 수용량의 차로 정의된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법 및 송신 노드가 적용되는 무선 네트워크 환경에 대한 예시는 도 1a 및 도 1b에 도시된다.
아래의 설명에서는 무선 네트워크에 하나의 송신 노드(11), 하나의 중계기(12), 하나의 도청자 노드(13) 및 하나의 수신 노드(14)가 존재하는 것으로 가정된다. 다만 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 무선 네트워크를 간략하게 표현한 것이고, 무선 네트워크에서 송신 노드, 중계기, 도청자 노드 및 수신 노드의 개수들은 상기 개수로 제한되지 않고 복수개가 존재할 수 있다. 또한, 송신 노드(11)와 수신 노드(14) 사이에는 직접 링크가 없다고 가정한다. 그리고, 중계기(12)는 증폭 후 재전송 기법을 이용하여 송신 노드(11)의 신호를 수신 노드(14)에 전달하고, 도청자 노드(13)는 송신 노드(11)에서의 신호와 중계기(12)에서의 신호 모두를 받을 수 있다고 가정한다.
송신 노드(11)는 신호를 송신 할 시, 2개의 단계로 구분하여 신호를 송신한다. 즉, 송신 노드(11)는 제 1 단계에서 메시지를 송신하고(도 1a 참조), 제 2 단계에서 송신 노드 측 재밍 신호(이하, 제 1 재밍 신호)를 송신한다(도 1b 참조).
먼저, 제 1 단계를 살펴보면, 송신 노드(11)는 제 1 송신 전력(Ps1)으로 메시지(x)를 송신하고, 수신 노드(14)는 수신 노드 측 송신 전력(Pd)으로 수신 노드 측 재밍 신호(zd, 이하, 제 2 재밍 신호)를 송신한다. 즉, 송신 노드(11)에서 중계기(12)로 메시지를 송신할 때, 중계기(12)에서는 송신 노드(11)로부터 송신된 메시지(x)뿐만 아니라, 수신 노드(14)에서 송신된 재밍 신호(zd)도 함께 수신하게 된다. 제 1 단계에서, 중계기(12)에서 수신된 중계기측 제 1 수신 신호는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2016002416-appb-M000001
수학식 1에서, 부호 yr은 중계기(12)에서 제 1 단계를 통해 수신된 중계기측 제 1 신호를 나타내고, x는 송신 노드(11)에서 송신된 메시지를 나타내고, zd는 수신 노드(14)에서 송신된 수신 노드 측 재밍 신호(즉, 제 2 재밍 신호)를 나타내고, hab는 a 노드와 b 노드 간 채널 계수를 나타내며, nr은 중계기(12)에서 평균이 0이고, 분산이 N0인 가산 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)을 나타낸다. 또한, 수학식 1에서 첨자 r은 중계기를 의미하고, 첨자 s는 송신 노드를 의미한다.
송신 노드(11)에서 메시지를 송신할 시, 해당 메시지는 중계기(12)뿐만 아니라, 송신 노드(11)에 인접한 도청자 노드(13)에도 전달된다. 마찬가지로, 수신 노드(14)에서 송신된 제 2 재밍 신호도 수신 노드(14)에 인접한 도청자 노드(13)로 전달된다. 따라서, 도청자 노드(13)에서 수신한 신호는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2016002416-appb-M000002
제 1 단계에서 도청자 노드(13)에서 수신한 신호는 수학식 1에서 언급한 중계기(12)에서 수신된 신호와 거의 유사한 신호를 갖는다. 수학식 2에서 첨자 e는 도청자 노드를 의미하고, 부호 ne1은 제 1 단계에서 도청자 노드(13)에서 수신된 평균이 0이고 분산이 N0인 가산 백색 가우시안 잡음을 나타낸다.
다시, 중계기(12)를 살펴보면, 중계기(12)는 제 1 송신 노드(11)로부터 메시지를 수신하면, 수학식 1로 표현된 수신 신호를 증폭한 이후, 중계기측 송신 전력(Pr)으로 재전송 기법을 통해 증폭된 신호(즉, 증폭된 메시지)를 수신 노드(14)로 전송한다. 여기서, 중계기(12)가 증폭된 신호를 수신 노드(14)로 전송하는 시점은 제 2 단계에서 송신 노드가 재밍 신호(즉, 제 1 재밍 신호)를 생성하고, 이를 송신할 때 이루어지는 것이 바람직하다. 수신 노드(14)에서 수신한 신호는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2016002416-appb-M000003
수학식 3에 나타난 바와 같이, 수신 노드(14)에서 수신한 신호는 중계기(12)에서 송신된 신호(hrdgryr)와 평균이 0이고 분산이 N0인 가산 백색 가우시안 잡음(nd)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 수학식 3에서 hrd는 중계기(12)와 수신 노드(14)간 채널 계수를 의미하고, gr은 중계기(12)의 증폭 계수를 나타낸다. 여기서, 중계기(12)에서 송신된 신호(hrdgryr)에는 송신 노드(11)에서 송신된 메시지뿐만 아니라, 중계기(12)에 존재하는 가산 백색 가우시안 잡음(nr), 그리고 수신 노드(14)에서 생성된 제 2 재밍 신호(zd)도 포함한다. 따라서, 수신 노드(14)에서는 중계기(12)로부터 전달받은 신호에서 수신 노드(14)에서 생성한 제 2 재밍 신호를 제거한다. 제 2 재밍 신호가 제거된 즉, 수신 노드(14)에 의해 처리된 신호는 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2016002416-appb-M000004
도 1b에 도시된 바와 같이, 송신 노드(21)는 메시지를 송신한 이후, 제 2 송신 전력(Ps2)으로 제 1 재밍 신호(Zs)를 송신한다. 송신 노드(21)에서 송신된 제 1 재밍 신호(Zs)는 송신되어 도청자 노드(23)로 전달될 수 있다.
이러한 제 2 단계를 통해 도청자 노드(23)에서 수신된 신호는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2016002416-appb-M000005
수학식 5에서, ne2는 도청자 노드(23)에서의 평균이 0이고 분산이 N0인 가산 백색 가우시안 잡음을 나타낸다. 도청자 노드(23)는 제 1 단계에서 받은 신호와 제 2 단계에서 받은 신호를 SC(selection combining) 기법을 이용하여 복호화를 시도할 수 있으나, 한 번의 주기당 2개의 재밍 신호와 잡음에 의해 원래의 신호를 해독하기는 쉽지 않다. 다만 이러한 재밍 신호를 이용한 보안 기법의 경우, 송신 노드에서 메시지뿐만 아니라 재밍 신호도 함께 송신해야 하므로, 송신 전력의 분배가 중요하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 별도의 재밍 노드를 구성하거나 추가적인 전력 소모를 야기하지 않도록 위에서 설명한 방식으로 송신 노드에서 재밍 신호를 더 송신하고, 메시지와 재밍 신호를 송신하는 송신 전력의 분배를 최적화하여 보안 전송률을 최대화 시키는 것을 목적으로 한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 중계기나 수신 노드 보다는 송신 노드에 적용되는 것이 바람직하다. 이에 대한 이유는 다음과 같다.
예를 들어, 위에서 설명한 2개의 단계 동안 각 노드가 두 단계 동안 사용할 수 있는 총 전력을 P 라고 가정한다. 중계기는 위 단계들 중 제 2 단계에만 신호를 전송하고, 수신 노드는 제 1 단계에만 신호를 전송하기 때문에, Pr = P, Pd = P가 성립된다. 다만, 송신 노드의 경우 제 1 단계 및 제 2 단계에서 모두 신호를 송신하기에 제 1 송신 전력(Ps1)과 제 2 송신 전력(Ps2)을 구분하고, 이들 전력 간 최적의 전력 할당비를 찾는 과정이 요구된다.
예를 들어, 전력 할당비는 아래에서 언급되는 송신 전력 계수(α)를 설정하고, 제 1 송신 전력은 Ps1 = αP를 통해, 그리고 제 2 송신 전력은 Ps2 = (1-)P를 통해 산출되는 방안을 생각해볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법에 대한 흐름도이다. 이제, 도 2를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법에 대한 설명이 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 아래에서 설명되는 바와 같이, 송신 노드에서 무선 네트워크 환경에 존재하는 전체 채널 정보를 파악할 수 있는지의 여부를 근거로, 보안 전송률을 정의하거나 또는 보안 불능 확률 (secrecy outage probability)을 정의함으로써 이루어질 수 있다. 이는 송신 노드에서 무선 네트워크 환경에 존재하는 전체 채널 정보를 파악할 수 없는 경우 즉, 송신 노드에서 도청자 노드로의 채널 정보에 대해 정확한 정보가 아닌 통계적인 정보만을 알 경우 보안 전송률을 파악할 수 없기 때문이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 보안 전송률을 정의할 수 있는 경우 이를 최대화시키거나, 또는 보안 전송률을 정의할 수 없는 경우 보안 불능 확률을 최소화하여 최적의 전력 분배를 수행할 수 있다.
이를 위해, 먼저 채널 정보를 수집하는 단계(S110)가 이루어진다. S110 단계를 통해 이루어지는 채널 정보는 무선 네트워크 환경에 포함된 전체 채널들에 대한 채널 정보를 포함할 수 있다. 다만, 무선 네트워크 환경이 항상 일정한 것은 아니고, 다양한 변수로 인해 S110 단계를 통해 전체 채널 정보가 수집되지 않는 상황이 존재할 수 있다.
따라서, S110 단계를 통해 전체 무선 네트워크 환경 내에서 전체 채널 정보가 수집되었는지 판단하는 단계(S120)가 수행된다. S120 단계에서의 판단 결과 전체 채널 정보가 수집된 것으로 판단된 경우, 제어는 S130 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S150 단계로 전달된다. S120 단계를 통한 판단 과정을 수행하는 이유는 앞서 설명한 바와 같이, 보안 전송률의 산출 가능 여부를 판단하기 위함이다.
무선 네트워크 내의 전체 채널 정보에 대한 수집이 이루어진 경우, 해당 무선 네트워크에 대한 보안 전송률을 산출하는 단계(S130)가 이루어진다. 그리고, 보안 전송률이 최대가 되도록 송신 전력 계수(α)를 산출하는 단계(S140)가 이루어진다.
여기서, 송신 전력 계수(α)는 송신 노드의 전력과의 연산을 통해 송신 노드에서 메시지를 송신할 때 이용되는 제 1 송신 전력과 재밍 신호를 송신할 때 이용되는 제 2 송신 전력을 최적화시키는데 사용되는 변수이다. 즉, 송신 전력 계수(α)를 통해 제 1 송신 전력은 Ps1 = αP를 통해, 그리고 제 2 송신 전력은 Ps2 = (1-)P를 통해 산출될 수 있다. 여기서, 최적의 송신 전력 계수(αopt)는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2016002416-appb-M000006
위의 수학식 6에서 αopt는 찾고자 하는 송신 전력 계수를 나타내고, R은 보안 전송률을 나타낸다. 여기서, 보안 전송률(R)은 송신 노드가 모든 채널 정보를 아는 경우 정의될 수 있으며, 보안 전송률은 수신 노드에서 달성할 수 있는 수용량과 도청자 노드에서 달성할 수 있는 수용량의 차로 정의될 수 있다. 보안 전송률(R)은 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2016002416-appb-M000007
수학식 7에서, R은 보안 전송률을 나타내고, rd, re1 및 re2은 각각 신호 대 잡음비를 나타낸다. 구체적으로, γd는 중계기에서 중계기측 송신 전력으로 신호가 송신될 때, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 나타내고, γe1은 송신 노드에서 제 1 송신 전력(Ps1)으로 메시지를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 나타내며, γe2는 송신 노드에서 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 나타낸다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 도청자 노드에서 이루어지는 신호의 수신을 방해하기 위해, 송신 노드에서 제 2 송신 전력(Ps2)으로 제 1 재밍 신호를 송신하고, 수신 노드에서 제 2 재밍 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 송신 노드의 제 1 송신 전력(Ps1) 및 제 2 송신 전력(Ps2), 중계기의 중계기측 송신 전력(Pr), 그리고 수신 노드의 수신 노드측 송신 전력(Pd)을 고려하여 보안 전송률(R)과 최적의 송신 전력 계수(αopt)를 산출 할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법은 상술한 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 잡음비와 도청자 노드에서 수신되는 2개의 신호들의 신호대 잡음비를 고려하여 보안 전송률(R)을 산출하고, 이에 따라 송신 전력 계수도 수신 노드와 중계기를 고려하여 산출될 수 있다.
또한, 수신단에서 수신되는 신호의 신호대 잡음비(γd)는 위에서 설명한 수학식 4를 기초로 아래의 수학식 8로 정의될 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2016002416-appb-M000008
수학식 8에서 N0는 가산 백색 가우시안 잡음의 분산을 나타내고, Ps1은 송신 노드의 제 1 송신 전력을 나타내고, Pr은 중계기의 중계기측 송신 전력을 나타내고, Pd는 수신 노드의 수신 노드측 송신 전력을 나타낸다. 또한, 수학식 8에서, hsr은 송신 노드와 중계기간 채널 계수를 나타내고, hrd는 중계기와 수신 노드 간 채널 계수를 나타낸다.
또한, 송신 노드에서 제 1 송신 전력(Ps1)으로 메시지를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비(γd1)는 아래의 수학식 9와 같이 정의될 수 있고, 송신 노드에서 제 2 송신 전력(Ps2)으로 제 1 재밍 신호를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비(γe2)는 아래의 수학식 10과 같이 정의될 수 있다. 이러한 수학식 9 및 10은 위에서 설명한 수학식 2 및 5를 참조로 도출될 수 있다.
수학식 9
Figure PCTKR2016002416-appb-M000009
수학식 10
Figure PCTKR2016002416-appb-M000010
수학식 9 및 10에 포함된 각 부호에 대한 설명은 위에서 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
S130 단계를 통해 산출되는 보안 전송률(R)이 보안 전송률(R)을 산출하는데 이용되는 log 함수가 단조 증가임을 이용하여, S140 단계를 통해 최적의 송신 전력 계수(αopt)는 위의 수학식 6에서 송신 전력 계수(α)에 대해 미분할 시 산출될 수 있다.
이제, 전체 채널 정보가 수집된 경우가 아닌, 송신 노드에서 도청자 채널 정보에 대해 통계적인 정보만 알고 있을 경우, 수행되는 S150 단계 및 S160 단계에 대한 설명이 이루어진다.
S150 단계는 보안 전송률(R)이 기설정된 임계 확률(Rt) 이하가 될 확률인 보안 불능 확률(P0-)을 정의하는 단계이다. 그 후, 보안 불능 확률(P0-)이 최소화되도록 송신 전력 계수(αopt)를 산출하는 단계(S160)가 수행된다. 여기서, S160 단계를 통해 이루어지는 최적의 송신 전력 계수(αopt)를 찾는 방법은 아래의 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2016002416-appb-M000011
수학식 11에서 P0는 보안 불능 확률을 나타내고, Rt는 기설정된 임계 확률을 나타내며, 나머지 변수들의 경우 위에서 수학식 8 내지 10을 참조로 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다. 상기 수학식 11을 통해, S160 단계는 보안 불능 확률이 최소인 송신 전력 계수를 산출할 수 있다. 구체적으로, S160 단계는 보안 불능 확률(P0)을 계산한 후, 송신 전력 계수(α)에 대해 미분하여 최적의 송신 전력 계수(αopt)를 구할 수 있다.
이렇게 S140 단계 또는 S160 단계를 통해 송신 전력 계수(αopt)가 도출되면, 즉, 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력간 전력 할당비가 결정되면, 송신 전력 계수(αopt)를 근거로 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력을 산출하는 단계(S170)가 이루어진다.
그 후, S170 단계에서 산출된 송신 전력으로 즉, 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고(S180), 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신하는 단계(S190)가 수행된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 전력 분배 방법에 따르면, 송신 노드에서는 수집한 채널 정보의 양에 따라 보안 전송률 또는 보안 불능 확률을 정의하고, 이를 근거로 제 1 송신 전력 및 제 2 송신 전력을 최적으로 분배할 수 있다. 따라서, 송신 노드는 재밍을 위한 추가적인 전력 소모를 요구하지 않고 정해진 전력 내에서 전력 분배를 통해 최적으로 메시지 및 재밍 신호를 송신할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 전송률을 산출하는 단계에 대한 흐름도이다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 전송률을 산출하는 단계(S130)는 무선 네트워크 내의 전제 채널 정보에 대한 수집이 이루어진 경우 수행되는 단계를 나타낸다. 이제, 도 3을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 보안 전송률을 산출하는 단계에 대한 설명이 이루어진다. 아래에서는 위에서 설명한 부분과 중복되는 사항은 생략하여 설명이 이루어진다.
먼저, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 산출하는 단계(S131)가 이루어진다. 위에서 도 2를 참조로 설명한 것처럼, S131 단계에서 언급된 수신 노드에서 수신되는 신호는 중계기에서 증계기측 송신 전력으로 송신된 신호를 나타낸다. 따라서, S131 단계에서 산출되는 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비는 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기의 중계기측 송신 전력, 수신 노드의 수신 노드측 송신 전력, 송신 노드와 중계기간 채널 계수 및 중계기와 수신 노드 간 채널 계수를 고려하여 산출될 수 있다. S131 단계를 통해 이루어지는 산출 방법은 위에서 수학식 8을 참조로 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략된다.
S132 단계는 송신 노드에서 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 단계이고, S133 단계는 송신 노드에서 제 2 송신 전력으로 재밍 신호를 송신할 때, 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 단계를 나타낸다. 즉, 송신 노드는 메시지와 재밍 신호를 각각 제 1 송신 전력 및 제 2 송신 전력으로 송신하는데, S132 단계로 언급된 제 1 신호는 송신 노드에서 송신된 메시지를 나타내고, S133 단계에서 언급되는 제 2 신호는 송신 노드에서 송신된 재밍 신호를 나타낸다.
또한, S132 단계는 제 1 신호의 특성에 기인하여, 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어질 수 있고, S133 단계는 제 2 신호의 특성에 기인하여, 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어질 수 있다. S132 단계 및 S133 단계에 대한 설명은 위에서 수학식 9 및 수학식 10을 참조로 상세히 언급하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
도 3에서 S131 단계 내지 S133 단계가 순차적으로 수행되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시일뿐이고 각 단계는 다양한 조합의 순서로 수행되거나 또는 병렬적인 관계로 산출 과정이 이루어질 수 있다.
S131 내지 S133 단계를 통한 산출 과정이 완료되면, S134 단계를 통한 보안 전송률을 산출하는 단계가 수행된다. S134 단계는 수신 노드 측 신호 대 잡음비와 도청자 노드 측 신호 대 잡음비를 고려하여 이루어질 수 있다. S134 단계에서 이루어지는 보안 전송률을 산출하는 방법은 위에서 수학식 6 및 수학식 7을 참조로 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)에 대한 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)는 위에서 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 송신 전력 분배 방법이 구현된 노드로 정의될 수 있다. 즉, 송신 노드(100)는 채널 정보의 수집 여부를 근거로 보안 전송률 또는 보안 불능 확률을 정의하고, 보안 전송률 또는 보안 불능 확률을 기초로 송신 전력 계수를 산출함으로써 최적의 송신 전력을 산출하는 기능을 한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예 따른 송신 노드(100)는 신호 생성부(110), 정보 수집부(120), 채널 정보 판단부(130), 보안 전송률 산출부(140), 보안 불능 확률 정의부(150), 송신 전력 계수 산출부(160) 및 송신 전력 산출부(170)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)에 포함된 각 구성들은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위해 기능별로 그 구성이 구분된 것이고, 실제로는 CPU, MPU 또는 GPU와 같은 하나의 처리부 구성으로 구현될 수 있다. 이하, 도 4를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)에 대한 설명이 이루어진다. 이하에서는 위에서 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략하여 서술이 이루어진다.
신호 생성부(110)는 메시지와 제 1 재밍 신호를 생성하는 기능을 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)는 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 도청자 노드에 대한 방해를 위해 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신할 수 있다. 또한, 수신 노드에서는 수신 노드 측 송신 전력으로 제 2 재밍 신호를 송신하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)와 수신 노드 간 협력 재밍이 이루어질 수 있다.
정보 수집부(120)는 통신부(180)를 통해 송신 노드(100)가 속한 무선 네트워크의 채널 정보를 수집하는 기능을 한다.
채널 정보 판단부(130)는 정보 수집부(120)를 통해 수집된 채널 정보를 근거로, 전체 채널 정보가 수집되었는지 판단하는 기능을 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)는 보안 전송률의 산출 가능 여부를 근거로 각기 다른 과정을 수행하여 송신 전력 계수를 산출하는데, 채널 정보 판단부(130)는 보안 전송률의 산출 가능 여부를 판단하기 위한 구성이다. 채널 정보 판단부(130)를 통한 판단 결과, 보안 전송률을 산출할 수 있는 경우 즉, 전체 채널 정보가 수집된 경우 제어는 보안 전송률 산출부(140)로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 보안 불능 확률 정의부(150)로 전달된다.
보안 전송률 산출부(140)는 수신 노드(100)에서 무선 네트워크의 전체 채널 정보를 알 경우, 무선 네트워크에 대한 보안 전송률을 산출하는 기능을 한다. 상술한 바와 같이, 보안 전송률은 수신 노드(100)에서 달성할 수 있는 수용량과 도청자 노드에서 달성할 수 있는 수용량의 차로 정의될 수 있다.
여기서, 보안 전송률은 수신 노드 측 신호 대 잡음비와 도청자 노드 측 신호 대 잡음비를 고려하여 산출될 수 있다. 그리고, 수신 노드 측 신호의 신호 대 잡음비는 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출될 수 있다. 그리고, 제 1 송신 전력으로 메시지가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비는 상기 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출될 수 잇고, 제 2 송신 전력으로 재밍 신호가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비는 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출될 수 있다. 여기서, 보안 전송률과, 각 신호 대 잡음비들의 구체적인 산출 방법은 위에서 수학식 7 내지 10을 참조로 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
송신 전력 계수 산출부(160)는 보안 전송률 산출부(140)를 통해 산출된 보안 전송률이 최대가 되도록 송신 전력 계수를 산출하는 기능을 한다. 여기서, 전체 채널 정보가 수집된 경우, 송신 전력 계수 산출부(160)를 통해 송신 전력 계수를 산출하는 방법은 위에서 수학식 6을 참조로 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
이제, 정보 수집부(120)를 통해 전체 채널 정보가 아닌 일부 채널 정보가 수집된 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)에서 이루어지는 과정을 설명한다.
보안 불능 확률 정의부(150)는 전체 채널 정보가 수집되지 않은 경우, 즉, 도청자 노드에 대해 통계적인 채널 정보만을 가지고 있는 경우, 보안 불능 확률을 정의하는 기능을 한다. 위에서 설명한 것처럼 보안 전송률은 전체 채널 정보가 존재하는 경우에만 산출 가능하기에, 보안 불능 확률의 정의 과정이 필요하다.
송신 전력 계수 산출부(160)는 보안 불능 확률 정의부(150)를 통해 정의된 보안 불능 확률이 최소가 되도록 송신 전력 계수를 산출하는 기능을 한다. 즉, 송신 전력 계수 산출부(160)는 보안 불능 확률 정의부(150)를 통해 정의된 보안 불능 확률을 계산하고, 송신 전력 계수에 대해 미분을 수행하여 최적의 송신 전력 계수를 구할 수 있다. 도청자 노드에 대해 통계적인 채널 정보만을 가지고 있는 경우, 송신 전력 계수 산출부(160)를 통해 송신 전력 계수를 산출하는 방법은 위에서 수학식 11을 참조로 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
송신 전력 산출부(170)는 송신 전력 계수 산출부(160)를 통해 산출된 송신 전력 계수를 근거로 즉, 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 근거로 제 1 송신 전력과 제 2 송신 전력을 산출하는 기능을 한다.
그 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 노드(100)는 통신부(180)를 통해 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 도청자가 존재하는 무선 네트워크에서 중계기를 통해 수신 노드로 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법으로서,
    상기 무선 네트워크에 대한 채널 정보를 수집하는 단계;
    상기 무선 네트워크에 대한 전체 채널 정보가 수집된 경우, 상기 채널 정보를 근거로 상기 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계; 및
    상기 보안 전송률이 최대가 되도록 상기 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 보안 전송률은 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비와 도청자 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 네트워크에서 수신 노드는 수신 노드측 송신 전력으로 제 2 재밍 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선 네트워크에 대해 전체 채널 정보를 수집하지 못한 경우, 상기 보안 전송률이 기설정된 임계값 이하가 될 확률인 보안 불능 확률을 정의하는 단계; 및
    상기 보안 불능 확률이 최소가 되도록 상기 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계는,
    상기 중계기에서 중계기측 송신 전력으로 신호가 송신될 때, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 산출하는 단계를 포함하고,
    수신 노드 측 신호의 신호 대 잡음비는 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 단계는,
    제 1 송신 전력으로 메시지가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 단계; 및
    제 2 송신 전력으로 잡음 신호가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 단계는 상기 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어지는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 단계는 상기 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 이루어지는 것을 특징으로 하는 송신 노드의 송신 전력 분배 방법.
  8. 도청자가 존재하는 무선 네트워크에서 중계기를 통해 수신 노드로 제 1 송신 전력으로 메시지를 송신하고, 제 2 송신 전력으로 제 1 재밍 신호를 송신하는 송신 노드로서,
    상기 무선 네트워크에 대한 채널 정보를 수집하는 정보 수집부;
    상기 무선 네트워크에 대한 전체 채널 정보가 수집된 경우, 상기 채널 정보를 근거로 상기 무선 네트워크의 보안 전송률을 산출하는 보안 전송률 산출부; 및
    상기 보안 전송률이 최대가 되도록 상기 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 송신 전력 계수 산출부를 포함하고,
    상기 보안 전송률은 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비와 도청자 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 네트워크에서 수신 노드는 수신 노드측 송신 전력으로 제 2 재밍 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 무선 네트워크에 대해 전체 채널 정보를 수집하지 못한 경우, 상기 보안 전송률이 기설정된 임계값 이하가 될 확률인 보안 불능 확률을 정의하는 보안 불능 확률 정의부를 더 포함하고,
    상기 송신 전력 계수 산출부는 상기 보안 불능 확률이 최소가 되도록 상기 제 1 송신 전력과 상기 제 2 송신 전력간 전력 할당비를 산출하는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 보안 전송률 산출부는,
    상기 중계기에서 중계기측 송신 전력으로 신호가 송신될 때, 수신 노드에서 수신되는 신호의 신호 대 잡음비를 산출하되, 수신 노드 측 신호의 신호 대 잡음비는 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 보안 전송률 산출부는,
    제 1 송신 전력으로 메시지가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 1 신호의 제 1 신호 대 잡음비와, 제 2 송신 전력으로 잡음 신호가 송신될 때 도청자 노드에서 수신되는 제 2 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보안 전송률 산출부는,
    상기 제 1 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 상기 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 1 신호 대 잡음비를 산출하는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 보안 전송률 산출부는,
    상기 송신 노드의 제 1 송신 전력, 중계기측 송신 전력, 수신 노드측 송신 전력 및 잡음 분산을 기초로 상기 도청자 노드에서 수신되는 신호의 제 2 신호 대 잡음비를 산출하는 것을 특징으로 하는 송신 노드.
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