WO2025178151A1 - 양자 통신 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라를 지원하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

양자 통신 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라를 지원하기 위한 방법 및 장치

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WO2025178151A1
WO2025178151A1 PCT/KR2024/002394 KR2024002394W WO2025178151A1 WO 2025178151 A1 WO2025178151 A1 WO 2025178151A1 KR 2024002394 W KR2024002394 W KR 2024002394W WO 2025178151 A1 WO2025178151 A1 WO 2025178151A1
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qber
node
quantum
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이호재
이상림
김자영
안병규
이종현
박주윤
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LG Electronics Inc
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    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access
    • H04W74/02—Hybrid access

Definitions

  • the present disclosure relates to a device and method for supporting a hybrid quantum bit error rate check-based quantum public key infrastructure in a quantum communication system.
  • the present disclosure proposes a method for achieving physical information security based on the no-cloning theorem and quantum coherence time.
  • a method is needed to address the threat of quantum algorithms while maintaining an asymmetric key system.
  • trapdoor leakage caused by quantum algorithms can be adaptively prevented by periodically updating the public key. This prevents real-time leakage even if a plaintext attack is conducted using quantum algorithms.
  • an attacker can still conduct a plaintext attack later using a Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL) attack. Consequently, limiting the validity period of a public key alone cannot achieve fundamental information security.
  • HNDL Harvest-Now-Decrypt-Later
  • the present disclosure provides a device and method for supporting a hybrid quantum bit error rate check based quantum public key infrastructure in a quantum communication system.
  • a method performed by a first node in a communication system comprises the steps of: transmitting at least one synchronization signal to a second node; transmitting control information to the second node; transmitting a quantum public key (QPK) based on a private key to the second node; receiving a hybrid quantum bit error rate check (QBER) check packet related to a result of a hybrid QBER check for first qubits among a plurality of qubits constituting the QPK from the second node; decrypting the hybrid QBER check packet with a classical private key to generate basis matching information of the QPK; transmitting a hybrid QBER check response packet based on the basis matching information to the second node; receiving a verification result of the validity of the QPK from the second node based on the basis matching information;
  • a method is provided, including the step of receiving an encrypted message from the second node based on second qubits among the plurality of qubits that are not used in the hybrid QBER check based on the validity of the
  • a second node comprising: a transceiver; at least one processor; and at least one memory operably connectable to the at least one processor and storing instructions that, when executed by the at least one processor, perform operations, wherein the operations include all steps of a method of operating the second node according to various embodiments of the present disclosure.
  • a control device for controlling a first node in a communication system comprising: at least one processor; and at least one memory operably connected to the at least one processor, wherein the at least one memory stores instructions for performing operations based on being executed by the at least one processor, wherein the operations include all steps of an operating method of the first node according to various embodiments of the present disclosure.
  • a control device for controlling a second node in a communication system comprising: at least one processor; and at least one memory operably connected to the at least one processor, wherein the at least one memory stores instructions for performing operations based on being executed by the at least one processor, wherein the operations include all steps of an operating method of the second node according to various embodiments of the present disclosure.
  • one or more non-transitory computer-readable media storing one or more instructions, wherein the one or more instructions, based on being executed by one or more processors, perform operations, the operations comprising all steps of a method of operating a first node according to various embodiments of the present disclosure, are provided.
  • one or more non-transitory computer-readable media storing one or more instructions, wherein the one or more instructions, when executed by one or more processors, perform operations, the operations comprising all steps of a method of operating a second node according to various embodiments of the present disclosure.
  • the present disclosure may provide a device and method for supporting a hybrid quantum bit error rate check based quantum public key infrastructure that provides physical security based on the no-cloning theorem and quantum coherence time in a quantum communication system.
  • Figure 1 is a diagram illustrating an example of physical channels and general signal transmission used in a 3GPP system.
  • Figure 3 is a diagram illustrating the functional division between NG-RAN and 5GC.
  • Figure 4 is a diagram illustrating an example of a 5G usage scenario.
  • Figure 5 is a diagram illustrating an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • Figure 10 is a schematic diagram illustrating an example of a filter operation in a convolutional neural network.
  • a terminal receives information from a base station via the downlink (DL) and transmits it to the base station via the uplink (UL).
  • the information transmitted and received between the base station and the terminal includes data and various control information, and various physical channels exist depending on the type and purpose of the information being transmitted and received.
  • a terminal When a terminal is powered on or enters a new cell, it performs an initial cell search operation, such as synchronizing with the base station (S11). To this end, the terminal receives a Primary Synchronization Signal (PSS) and a Secondary Synchronization Signal (SSS) from the base station to synchronize with the base station and obtain information such as a cell ID. Afterwards, the terminal can receive a Physical Broadcast Channel (PBCH) from the base station to obtain broadcast information within the cell. Meanwhile, the terminal can receive a Downlink Reference Signal (DL RS) during the initial cell search phase to check the downlink channel status.
  • PSS Primary Synchronization Signal
  • SSS Secondary Synchronization Signal
  • PBCH Physical Broadcast Channel
  • DL RS Downlink Reference Signal
  • the terminal may perform a random access procedure (RACH) for the base station (S13 to S16).
  • RACH random access procedure
  • the terminal may transmit a specific sequence as a preamble via a physical random access channel (PRACH) (S13 and S15) and receive a response message (RAR (Random Access Response) message) to the preamble via a PDCCH and a corresponding PDSCH.
  • PRACH physical random access channel
  • RAR Random Access Response
  • a contention resolution procedure may additionally be performed (S16).
  • the terminal that has performed the procedure described above can then perform PDCCH/PDSCH reception (S17) and physical uplink shared channel (PUSCH)/physical uplink control channel (PUCCH) transmission (S18) as general uplink/downlink signal transmission procedures.
  • the terminal can receive downlink control information (DCI) through the PDCCH.
  • DCI downlink control information
  • the DCI includes control information such as resource allocation information for the terminal, and different formats can be applied depending on the purpose of use.
  • control information that the terminal transmits to the base station via the uplink or that the terminal receives from the base station may include downlink/uplink ACK/NACK signals, CQI (Channel Quality Indicator), PMI (Precoding Matrix Index), RI (Rank Indicator), etc.
  • the terminal may transmit the above-described control information such as CQI/PMI/RI via PUSCH and/or PUCCH.
  • the base station transmits a related signal to the terminal through a downlink channel described below, and the terminal receives the related signal from the base station through a downlink channel described below.
  • PDSCH Physical Downlink Shared Channel
  • PDSCH carries downlink data (e.g., DL-shared channel transport block, DL-SCH TB) and applies modulation methods such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), 16 Quadrature Amplitude Modulation (QAM), 64 QAM, and 256 QAM.
  • Codewords are generated by encoding the TBs.
  • PDSCH can carry multiple codewords. Scrambling and modulation mapping are performed for each codeword, and modulation symbols generated from each codeword are mapped to one or more layers (Layer mapping). Each layer is mapped to resources along with a Demodulation Reference Signal (DMRS), generated as an OFDM symbol signal, and transmitted through the corresponding antenna port.
  • DMRS Demodulation Reference Signal
  • PUSCH carries uplink data (e.g., UL-shared channel transport block, UL-SCH TB) and/or uplink control information (UCI), and is transmitted based on a CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) waveform, a DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform - spread - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) waveform, etc.
  • CP-OFDM Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • DFT-s-OFDM Discrete Fourier Transform - spread - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • PUSCH transmissions can be dynamically scheduled by UL grants in DCI, or semi-statically scheduled (configured grant) based on higher layer (e.g., RRC) signaling (and/or Layer 1 (L1) signaling (e.g., PDCCH)).
  • PUSCH transmissions can be performed in a codebook-based or non-codebook-based manner.
  • PUCCH carries uplink control information, HARQ-ACK and/or scheduling request (SR), and can be divided into multiple PUCCHs depending on the PUCCH transmission length.
  • new radio access technology new RAT, NR.
  • next-generation communication As more and more communication devices demand greater communication capacity, the need for improved mobile broadband communication compared to existing radio access technology (RAT) is emerging. Furthermore, massive Machine Type Communications (MTC), which connects numerous devices and objects to provide various services anytime, anywhere, is also a key issue to be considered in next-generation communication. Furthermore, communication system design that considers reliability and latency-sensitive services/terminals is being discussed. The introduction of next-generation radio access technologies that take into account enhanced mobile broadband communication, massive MTC, and URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication) is being discussed, and in various embodiments of the present disclosure, these technologies are conveniently referred to as new RAT or NR.
  • new RAT New RAT
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the system structure of a New Generation Radio Access Network (NG-RAN).
  • NG-RAN New Generation Radio Access Network
  • the NG-RAN may include a gNB and/or an eNB that provides user plane and control plane protocol termination to the UE.
  • FIG. 1 illustrates a case where only a gNB is included.
  • the gNB and eNB are connected to each other via an Xn interface.
  • the gNB and eNB are connected to the 5th generation core network (5G Core Network: 5GC) via the NG interface.
  • 5G Core Network: 5GC 5th generation core network
  • the gNB is connected to the access and mobility management function (AMF) via the NG-C interface
  • the gNB is connected to the user plane function (UPF) via the NG-U interface.
  • AMF access and mobility management function
  • UPF user plane function
  • Figure 3 is a diagram illustrating the functional division between NG-RAN and 5GC.
  • the gNB can provide functions such as inter-cell radio resource management (Inter Cell RRM), radio bearer management (RB control), connection mobility control (Connection Mobility Control), radio admission control (Radio Admission Control), measurement configuration and provision, and dynamic resource allocation.
  • the AMF can provide functions such as NAS security and idle state mobility processing.
  • the UPF can provide functions such as mobility anchoring and PDU processing.
  • the SMF Session Management Function
  • Figure 4 is a diagram illustrating an example of a 5G usage scenario.
  • the 5G usage scenario illustrated in FIG. 4 is merely exemplary, and the technical features of various embodiments of the present disclosure can also be applied to other 5G usage scenarios not illustrated in FIG. 4.
  • the three key requirement areas for 5G include (1) enhanced mobile broadband (eMBB), (2) massive machine type communication (mMTC), and (3) ultra-reliable and low latency communications (URLLC).
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • mMTC massive machine type communication
  • URLLC ultra-reliable and low latency communications
  • KPI key performance indicator
  • eMBB focuses on improving data speeds, latency, user density, and overall capacity and coverage of mobile broadband connections. It targets throughputs of around 10 Gbps. eMBB significantly exceeds basic mobile internet access, enabling rich interactive experiences, media and entertainment applications in the cloud, and augmented reality. Data is a key driver of 5G, and for the first time, dedicated voice services may not be available in the 5G era. In 5G, voice is expected to be handled as an application, simply using the data connection provided by the communication system. The increased traffic volume is primarily due to the increasing content size and the growing number of applications that require high data rates. Streaming services (audio and video), interactive video, and mobile internet connectivity will become more prevalent as more devices connect to the internet.
  • URLLC is ideal for vehicle communications, industrial control, factory automation, remote surgery, smart grids, and public safety applications by enabling devices and machines to communicate with high reliability, very low latency, and high availability.
  • URLLC targets latency on the order of 1 ms.
  • URLLC encompasses new services that will transform industries through ultra-reliable, low-latency links, such as remote control of critical infrastructure and autonomous vehicles. This level of reliability and latency is essential for smart grid control, industrial automation, robotics, and drone control and coordination.
  • 5G can complement fiber-to-the-home (FTTH) and cable-based broadband (or DOCSIS) by delivering streams rated at hundreds of megabits per second to gigabits per second. These high speeds may be required to deliver TV at resolutions beyond 4K (6K, 8K, and beyond), as well as virtual reality (VR) and augmented reality (AR).
  • VR and AR applications include near-immersive sports events. Certain applications may require specialized network configurations. For example, for VR gaming, a gaming company may need to integrate its core servers with the network operator's edge network servers to minimize latency.
  • Automotive is expected to be a significant new driver for 5G, with numerous use cases for in-vehicle mobile communications. For example, passenger entertainment demands both high capacity and high mobile broadband, as future users will consistently expect high-quality connectivity regardless of their location and speed.
  • Another automotive application is augmented reality dashboards.
  • An AR dashboard allows drivers to identify objects in the dark on top of what they see through the windshield. The AR dashboard overlays information to inform the driver about the distance and movement of objects.
  • wireless modules will enable vehicle-to-vehicle communication, information exchange between vehicles and supporting infrastructure, and information exchange between vehicles and other connected devices (e.g., devices accompanying pedestrians).
  • Safety systems can guide drivers on alternative courses of action to reduce the risk of accidents, enabling safer driving.
  • the next step will be remotely controlled or autonomous vehicles, which require highly reliable and fast communication between different autonomous vehicles and/or between vehicles and infrastructure.
  • autonomous vehicles will perform all driving tasks, leaving drivers to focus solely on traffic anomalies that the vehicle itself cannot detect.
  • the technological requirements for autonomous vehicles will require ultra-low latency and ultra-high-speed reliability, increasing traffic safety to levels unattainable by humans.
  • Smart cities and smart homes will be embedded with dense wireless sensor networks.
  • a distributed network of intelligent sensors will identify conditions for cost- and energy-efficient maintenance of cities or homes.
  • a similar setup can be implemented for each home.
  • Temperature sensors, window and heating controllers, burglar alarms, and appliances will all be wirelessly connected. Many of these sensors typically require low data rates, low power, and low cost. However, for example, real-time HD video may be required from certain types of devices for surveillance purposes.
  • Machine learning can be used for channel estimation and channel tracking, as well as for power allocation and interference cancellation in the physical layer of the downlink (DL). Furthermore, machine learning can be used for antenna selection, power control, and symbol detection in MIMO systems.
  • a large-scale artificial neural network structure can extend the simplified perceptron structure illustrated in Fig. 6 to apply the input vector to perceptrons of different dimensions. For convenience of explanation, input values or output values are called nodes.
  • the perceptron structure illustrated in Fig. 6 can be explained as consisting of a total of three layers based on input and output values.
  • An artificial neural network in which there are H perceptrons of (d+1) dimensions between the 1st layer and the 2nd layer, and K perceptrons of (H+1) dimensions between the 2nd layer and the 3rd layer can be expressed as in Fig. 7.
  • Figure 7 is a schematic diagram illustrating an example of a multilayer perceptron structure.
  • the layer where the input vector is located is called the input layer
  • the layer where the final output value is located is called the output layer
  • all layers located between the input layer and the output layer are called hidden layers.
  • the example in Fig. 7 shows three layers, but when counting the number of layers in an actual artificial neural network, the input layer is excluded, so it can be viewed as a total of two layers.
  • An artificial neural network is composed of perceptrons, which are basic blocks, connected in two dimensions.
  • the aforementioned input, hidden, and output layers can be applied jointly not only to multilayer perceptrons but also to various artificial neural network structures, such as CNNs and RNNs, which will be described later.
  • the machine learning paradigm that uses sufficiently deep artificial neural networks as learning models is called deep learning.
  • the artificial neural network used for deep learning is called a deep neural network (DNN).
  • Figure 8 is a schematic diagram illustrating an example of a deep neural network.
  • the deep neural network illustrated in Figure 8 is a multilayer perceptron consisting of eight hidden layers and eight output layers.
  • the multilayer perceptron structure is referred to as a fully connected neural network.
  • a fully connected neural network there is no connection between nodes located in the same layer, and there is a connection only between nodes located in adjacent layers.
  • DNN has a fully connected neural network structure and is composed of a combination of multiple hidden layers and activation functions, and can be usefully applied to identify correlation characteristics between inputs and outputs.
  • the correlation characteristic can mean the joint probability of inputs and outputs.
  • Figure 9 is a schematic diagram illustrating an example of a convolutional neural network.
  • Fig. 9 can assume a case where nodes are arranged two-dimensionally, with w nodes in width and h nodes in height (the convolutional neural network structure of Fig. 9).
  • a weight is added to each connection in the connection process from one input node to the hidden layer, a total of h ⁇ w weights must be considered. Since there are h ⁇ w nodes in the input layer, a total of h2w2 weights are required between two adjacent layers.
  • the convolutional neural network of Fig. 9 has a problem in that the number of weights increases exponentially according to the number of connections. Therefore, instead of considering the connections of all modes between adjacent layers, it assumes that there are small filters, and performs weighted sum and activation function operations on the overlapping portions of the filters, as in Fig. 10.
  • Figure 10 is a schematic diagram illustrating an example of a filter operation in a convolutional neural network.
  • Each filter has a weight corresponding to the number of its size, and weight learning can be performed so that a specific feature on the image can be extracted as a factor and output.
  • a filter of size 3Y3 is applied to the upper left 3Y3 region of the input layer, and the output value resulting from performing weighted sum and activation function operations on the corresponding node is stored in z22.
  • the above filter performs weighted sum and activation function operations while moving at a certain horizontal and vertical interval while scanning the input layer, and places the output value at the current filter position.
  • This operation method is similar to the convolution operation for images in the field of computer vision, so a deep neural network with this structure is called a convolutional neural network (CNN), and the hidden layer generated as a result of the convolution operation is called a convolutional layer.
  • a neural network with multiple convolutional layers is called a deep convolutional neural network (DCNN).
  • a structure that applies a method of inputting one element of the data sequence at each timestep and inputting the output vector (hidden vector) of the hidden layer output at a specific timestep together with the immediately following element in the sequence is called a recurrent neural network structure.
  • Figure 11 is a schematic diagram illustrating an example of a neural network structure in which a recurrent loop exists.
  • a recurrent neural network is a structure that inputs elements (x1(t), x2(t), ,..., xd(t)) of a data sequence at a time point t into a fully connected neural network, and then inputs the hidden vectors (z1(t-1), z2(t-1),..., zH(t-1)) of the immediately preceding time point t-1 together and applies a weighted sum and activation function.
  • the reason for transmitting the hidden vector to the next time point in this way is because the information in the input vectors of the preceding time points is considered to be accumulated in the hidden vector of the current time point.
  • Figure 12 is a diagram schematically illustrating an example of the operating structure of a recurrent neural network.
  • the recurrent neural network operates in a predetermined order of time for the input data sequence.
  • the hidden vector (z1(1), z2(1),..., zH(1)) is input together with the input vector (x1(2), x2(2),..., xd(2)) at time point 2, and the vector (z1(2), z2(2),..., zH(2)) of the hidden layer is determined through a weighted sum and an activation function. This process is repeatedly performed until time point 2, time point 3, ,,, time point T.
  • Recurrent neural networks are designed to be useful for processing sequence data (e.g., natural language processing).
  • various deep learning techniques such as DNN, CNN, RNN, Restricted Boltzmann Machine (RBM), Deep Belief Network (DBN), and Deep Q-Network, and can be applied to fields such as computer vision, speech recognition, natural language processing, and speech/signal processing.
  • AI-based physical layer transmission refers to the application of AI-based signal processing and communication mechanisms, rather than traditional communication frameworks, in the fundamental signal processing and communication mechanisms. For example, this may include deep learning-based channel coding and decoding, deep learning-based signal estimation and detection, deep learning-based MIMO mechanisms, and AI-based resource scheduling and allocation.
  • THz waves also known as sub-millimeter waves, typically refer to the frequency range between 0.1 THz and 10 THz, with corresponding wavelengths ranging from 0.03 mm to 3 mm.
  • the 100 GHz to 300 GHz band (sub-THz band) is considered a key part of the THz band for cellular communications. Adding the sub-THz band to the mmWave band will increase the capacity of 6G cellular communications.
  • 300 GHz to 3 THz lies in the far infrared (IR) frequency band. While part of the optical band, the 300 GHz to 3 THz band lies at the boundary of the optical band, immediately following the RF band. Therefore, this 300 GHz to 3 THz band exhibits similarities to RF.
  • Figure 13 is a diagram illustrating an example of the electromagnetic spectrum.
  • THz communications Key characteristics include (i) the widely available bandwidth to support very high data rates and (ii) the high path loss at high frequencies (which necessitates highly directional antennas).
  • the narrow beamwidths generated by highly directional antennas reduce interference.
  • the small wavelength of THz signals allows for a significantly larger number of antenna elements to be integrated into devices and base stations operating in this band. This enables the use of advanced adaptive array technologies to overcome range limitations.
  • OWC technology is designed for 6G communications, in addition to RF-based communications for all possible device-to-access networks. These networks connect to network-to-backhaul/fronthaul networks.
  • OWC technology has already been used in 4G communication systems, but it will be used more widely to meet the demands of 6G communication systems.
  • OWC technologies such as light fidelity, visible light communication, optical camera communication, and wideband-based FSO communication are already well-known. Communications based on optical wireless technology can provide very high data rates, low latency, and secure communications.
  • LiDAR can also be used for ultra-high-resolution 4D mapping in 6G communications based on wideband.
  • FSO can be a promising technology for providing backhaul connectivity in 6G systems, in conjunction with fiber-optic networks.
  • FSO supports high-capacity backhaul connectivity for remote and non-remote areas, such as the ocean, space, underwater, and isolated islands.
  • FSO also supports cellular base station (BS) connections.
  • BS base station
  • MIMO technology One of the key technologies for improving spectral efficiency is the application of MIMO technology. As MIMO technology improves, spectral efficiency also improves. Therefore, massive MIMO technology will be crucial in 6G systems. Because MIMO technology utilizes multiple paths, multiplexing technology must be considered to ensure that data signals can be transmitted along more than one path, as well as beam generation and operation technologies suitable for the THz band.
  • Blockchain will become a crucial technology for managing massive amounts of data in future communication systems.
  • Blockchain is a form of distributed ledger technology.
  • a distributed ledger is a database distributed across numerous nodes or computing devices. Each node replicates and stores an identical copy of the ledger.
  • Blockchains are managed by a peer-to-peer network and can exist without being managed by a central authority or server. Data on a blockchain is collected and organized into blocks. Blocks are linked together and protected using cryptography.
  • Blockchain perfectly complements large-scale IoT with its inherently enhanced interoperability, security, privacy, reliability, and scalability. Therefore, blockchain technology offers several features, such as interoperability between devices, traceability of large amounts of data, autonomous interaction with other IoT systems, and the massive connectivity stability of 6G communication systems.
  • 3D BS will be provided via low-orbit satellites and UAVs. Adding a new dimension in altitude and associated degrees of freedom, 3D connections differ significantly from existing 2D networks.
  • Unsupervised reinforcement learning holds promise in the context of 6G networks. Supervised learning approaches cannot label the massive amounts of data generated by 6G networks. Unsupervised learning does not require labeling. Therefore, this technology can be used to autonomously build representations of complex networks. Combining reinforcement learning and unsupervised learning allows for truly autonomous network operation.
  • Unmanned Aerial Vehicles will be a key element in 6G wireless communications. In most cases, high-speed wireless connections will be provided using UAV technology.
  • BS entities are installed on UAVs to provide cellular connectivity.
  • UAVs offer specific capabilities not found in fixed BS infrastructure, such as easy deployment, robust line-of-sight links, and controlled mobility. During emergencies such as natural disasters, deploying terrestrial communication infrastructure is not economically feasible, and sometimes, volatile environments make it impossible to provide services. UAVs can easily handle these situations.
  • UAVs will become a new paradigm in wireless communications. This technology facilitates three fundamental requirements for wireless networks: enhanced mobile broadband (eMBB), URLLC, and mMTC.
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • URLLC ultra low-access control
  • mMTC massive machine type of networks
  • UAVs can also support various purposes, such as enhancing network connectivity, fire detection, disaster emergency services, security and surveillance, pollution monitoring, parking monitoring, and accident monitoring. Therefore, UAV technology is recognized as one of the most important technologies for 6
  • Tight integration of multiple frequencies and heterogeneous communication technologies is crucial in 6G systems. As a result, users will be able to seamlessly move from one network to another without requiring any manual configuration on their devices. The best network will be automatically selected from available communication technologies. This will break the limitations of the cell concept in wireless communications. Currently, user movement from one cell to another in dense networks results in excessive handovers, resulting in handover failures, handover delays, data loss, and a ping-pong effect. 6G cell-free communications will overcome all of these challenges and provide better QoS. Cell-free communications will be achieved through multi-connectivity and multi-tier hybrid technologies, as well as heterogeneous radios on devices.
  • WIET uses the same fields and waves as wireless communication systems. Specifically, sensors and smartphones will be charged using wireless power transfer during communication. WIET is a promising technology for extending the life of battery-powered wireless systems. Therefore, battery-less devices will be supported by 6G communications.
  • Autonomous wireless networks are capable of continuously sensing dynamically changing environmental conditions and exchanging information between different nodes.
  • sensing will be tightly integrated with communications to support autonomous systems.
  • each access network will be connected to backhaul connections, such as fiber optics and FSO networks. To accommodate the massive number of access networks, there will be tight integration between access and backhaul networks.
  • Beamforming is a signal processing procedure that adjusts an antenna array to transmit a wireless signal in a specific direction. It is a subset of smart antennas or advanced antenna systems. Beamforming technology offers several advantages, including high signal-to-noise ratio, interference avoidance and rejection, and high network efficiency.
  • Holographic beamforming (HBF) is a novel beamforming method that differs significantly from MIMO systems because it uses software-defined antennas. HBF will be a highly effective approach for efficient and flexible signal transmission and reception in multi-antenna communication devices in 6G.
  • THz Terahertz
  • THz waves are located between the RF (Radio Frequency)/millimeter (mm) and infrared bands, and (i) compared to visible light/infrared light, they penetrate non-metallic/non-polarizable materials well, and compared to RF/millimeter waves, they have a shorter wavelength, so they have high linearity and can focus beams.
  • the photon energy of THz waves is only a few meV, they have the characteristic of being harmless to the human body.
  • the frequency bands expected to be used for THz wireless communication may be the D-band (110 GHz to 170 GHz) or H-band (220 GHz to 325 GHz), which have low propagation loss due to molecular absorption in the air. Discussions on standardization of THz wireless communication are being centered around the IEEE 802.15 THz working group in addition to 3GPP, and standard documents issued by the IEEE 802.15 Task Group (TG3d, TG3e) may specify or supplement the contents described in various embodiments of the present disclosure. THz wireless communication can be applied to wireless cognition, sensing, imaging, wireless communication, THz navigation, etc.
  • THz wireless communication scenarios can be categorized into macro networks, micro networks, and nanoscale networks.
  • THz wireless communication can be applied to vehicle-to-vehicle and backhaul/fronthaul connections.
  • THz wireless communication can be applied to fixed point-to-point or multi-point connections, such as indoor small cells, wireless connections in data centers, and near-field communications, such as kiosk downloads.
  • Table 2 below shows examples of technologies that can be used in THz waves.
  • Fig. 15 is a diagram illustrating an example of an electronic component-based THz wireless communication transmitter and receiver.
  • the multiplier is a circuit that has an output frequency that is N times that of the input, and matches it to the desired harmonic frequency and filters out all remaining frequencies.
  • beamforming can be implemented by applying an array antenna or the like to the antenna of Fig. 15.
  • IF represents intermediate frequency
  • tripler and multiplexer represent multipliers
  • PA represents power amplifier
  • LNA low noise amplifier
  • PLL phase-locked loop.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a method for generating a THz signal based on an optical element.
  • Fig. 17 is a diagram illustrating an example of an optical element-based THz wireless communication transceiver.
  • Optical component-based THz wireless communication technology refers to a method of generating and modulating THz signals using optical components.
  • Optical component-based THz signal generation technology generates an ultra-high-speed optical signal using a laser and an optical modulator, and converts it into a THz signal using an ultra-high-speed photodetector. Compared to technologies that use only electronic components, this technology can easily increase the frequency, generate high-power signals, and obtain flat response characteristics over a wide frequency band.
  • optical component-based THz signal generation requires a laser diode, a wideband optical modulator, and an ultra-high-speed photodetector.
  • an optical coupler refers to a semiconductor device that transmits an electrical signal using optical waves to provide electrical isolation and coupling between circuits or systems
  • a UTC-PD Uni-Travelling Carrier Photo-Detector
  • the UTC-PD is capable of detecting light at 150 GHz or higher.
  • Fig. 18 is a diagram illustrating the structure of a photon source-based transmitter.
  • Figure 19 is a drawing showing the structure of an optical modulator.
  • the phase of a signal can be changed by passing the optical source of a laser through an optical wave guide. At this time, data is loaded by changing the electrical characteristics through a microwave contact, etc. Therefore, the optical modulator output is formed as a modulated waveform.
  • An opto-electrical modulator (O/E converter) can generate THz pulses by optical rectification operation by a nonlinear crystal, photoelectric conversion by a photoconductive antenna, emission from a bunch of relativistic electrons, etc. Terahertz pulses generated in the above manner can have a length in units of femtoseconds to picoseconds.
  • An optical/electronic converter (O/E converter) performs down conversion by utilizing the non-linearity of the device.
  • the available bandwidth can be classified based on the oxygen attenuation of 10 ⁇ 2 dB/km in the spectrum up to 1 THz. Accordingly, a framework in which the available bandwidth is composed of multiple band chunks can be considered. As an example of the above framework, if the THz pulse length for one carrier is set to 50 ps, the bandwidth (BW) becomes approximately 20 GHz.
  • Effective down-conversion from the infrared band (IR band) to the terahertz band (THz band) depends on how to utilize the nonlinearity of the optical/electrical converter (O/E converter).
  • O/E converter optical/electrical converter
  • a terahertz transmission and reception system can be implemented using a single optical-to-electrical converter.
  • the number of optical-to-electrical converters may be equal to the number of carriers. This phenomenon will be particularly noticeable in a multi-carrier system that utilizes multiple broadbands according to the aforementioned spectrum usage plan.
  • a frame structure for the multi-carrier system may be considered.
  • a signal down-converted using an optical-to-electrical converter may be transmitted in a specific resource region (e.g., a specific frame).
  • the frequency region of the specific resource region may include multiple chunks. Each chunk may be composed of at least one component carrier (CC).
  • the present disclosure relates to a method and apparatus for supporting a quantum coherent time-based quantum public key infrastructure with a hybrid approach in a quantum communication system.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a man-in-the-middle attack in a system applicable to the present disclosure.
  • the security of information transmitted via a quantum channel is guaranteed by the non-cloning theorem, a quantum mechanical property. This allows for the security of transmitted messages to be determined through a QBER (Quantum Bit Error Rate) estimation process, utilizing a portion of the information transmitted via the quantum channel. This allows for the detection of eavesdropping by a third party. Therefore, the security of the transmitted message can be guaranteed.
  • QBER Quantum Bit Error Rate
  • Cryptographic hash function-based methods are used as authentication techniques based on the computational complexity of the hash function's collision probability.
  • the SHA technique is known as a representative hash function-based technique.
  • quantum cryptography communication systems use a family of keyed hash functions that combine symmetric keys and hash functions based on information-theoretic security as an authentication technique.
  • quantum communication standards organizations such as ETSI have adopted this method as a standard authentication method.
  • This method uses a hash function called Strongly Universal Hashing as a Message Authentication Code (MAC) algorithm to generate a Message Authentication Code (MAC) to be used in the authentication process, and additionally uses a symmetric key used as a one-time pad (OTP) in the generation process. Since it is very unlikely that information can be recovered through the reverse process from the MAC without knowing the key information, it is currently known to have the highest level of security.
  • MAC Message Authentication Code
  • OTP one-time pad
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a MAC-based authentication technique in a system applicable to the present disclosure.
  • MAC is used to verify the integrity of a message. As shown in Figure 21, it is difficult for a third party who does not know the one-time symmetric key information previously shared between the sender and receiver to determine which MAC algorithm was used when generating the MAC. Before the authentication process, the sender and receiver share the same symmetric key information and MAC algorithm. When the sender inputs the plaintext message to be used for authentication into the MAC algorithm, the MAC algorithm to be used is selected based on the pre-shared key value. Next, when the plaintext is input into the selected MAC algorithm, a MAC is generated as the output value. To generate the MAC for the receiver, the sender transmits the plaintext message and MAC it generated via a classical channel.
  • the receiver passes the received plaintext message through its MAC algorithm. Since the receiver possesses the same pre-shared key as the sender, it can generate the MAC using the same MAC algorithm. Finally, the MAC transmitted by the sender is compared with the MAC generated by the receiver to determine if they match. If the two values match, authentication is successful. If the two values do not match, authentication fails.
  • the pre-shared symmetric key information is ultimately not transmitted over a traditional channel, but is held only by the agreed-upon sender and receiver. Therefore, even if a third party were to obtain the message information without securing the symmetric key, they would not be able to determine which MAC algorithm is being applied. Therefore, this method guarantees security. Therefore, the security of this technique is higher as the number of MAC algorithm configuration methods increases.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of Wegman & Carter Authentication (WCA) in a system applicable to the present disclosure.
  • the quantum key distribution (QKD) protocol which is currently being applied as a security technology for 4G LTE/5G, uses the WCA technique proposed by Wegman and Carter as a standard authentication technology, and uses the method of Fig. 22 to generate a tag with a MAC to be used for authentication using a symmetric key generated in the form of a one time pad and a Strongly Universal Hash class.
  • tag information that acts as a MAC is generated using a pre-shared key and MAC algorithm.
  • the MAC algorithm used here uses a hash function set H of the Strongly Universal Hash class.
  • the pre-shared key information in the sender and receiver plays a role in selecting which hash function h_k to use in H, and the length of the pre-shared key is assigned as log 2
  • the tag information transmitted by the sender and the message received by the receiver are compared with the tag information of the receiver obtained from the pre-shared key and hash function to confirm whether they match, and then the authentication decision is made.
  • a hash function is a function that takes information of any length and outputs a fixed-length hash value. It is also called a message digest because it reduces a sentence of the original length to a fixed size. The reason the hash function is used as a MAC in the authentication process is because it has the following three characteristics.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of collision probability in Wegman & Carter Authentication (WCA) in a system applicable to the present disclosure.
  • WCA is a Man-in-the-middle attack.
  • Eve replaces message m with m' and guesses and sends a tag
  • Eve does not know which hash function the sender and receiver used, so she selects a random hash function to guess the tag, and the success probability is 1/
  • represents the number of tags.
  • the number of tags is determined by the number of types of hash functions
  • the collision probability formula in Fig. 23 the larger the number of hash functions, the lower the collision probability.
  • VMAC Message Authentication Code using Universal Hashing.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a concept of cloning for a qubit in a system applicable to the present disclosure.
  • qubit-based communication must occur within the coherence time. Furthermore, the transmission, computation, and measurement operations required for communication must be completed within this time frame to ensure that the sender can accurately convey the intended information to the receiver.
  • Figure 25 is a diagram illustrating an example of security keys in a 5G network system.
  • the UDM/ARPF Unified Data Management/Authentication credential Repository Processing Function
  • the USIM Universal Subscriber Identity Module
  • the Root Key is a user-specific information key corresponding to 128 bits or 256 bits depending on the operator's selection, and through the Root Key, the user authentication process, 5G AKA or EAP-AKA', is performed through the Ciphering Key or Integrity Key, and the Anchor Key corresponding to KSEAF is generated at the same time as the user authentication.
  • the UE is authenticated as a user to the Network, and shares the Anchor Key for generating keys to be applied to secure communication such as encryption in subsequent communications.
  • the 5G AKA or EAP-AKA process that operates for user authentication above can be summarized as follows.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating an example of an authentication procedure initiation and authentication method selection process in a system applicable to the present disclosure.
  • Figure 27 shows (3GPP TS 33.501 v18.1)
  • Figure 6.1.3.2-1 Authentication procedure for 5G AKA.
  • the UDM/ARPF shall create a 5G HE AV.
  • the UDM/ARPF does this by generating an AV with the Authentication Management Field (AMF) separation bit set to "1" as defined in TS 33.102.
  • the UDM/ARPF shall then derive KAUSF (as per Annex A.2) and calculate XRES* (as per Annex A.4).
  • the UDM/ARPF shall create a 5G HE AV from RAND, AUTN, XRES*, and KAUSF.
  • the UDM shall then return the 5G HE AV to the AUSF together with an indication that the 5G HE AV is to be used for 5G AKA in a Nudm_UEAuthentication_Get Response.
  • UDM will include the SUPI in the Nudm_UEAuthentication_Get Response after deconcealment of SUCI by SIDF.
  • the UDM shall include the AKMA indication and Routing indicator in the Nudm_UEAuthentication_Get Response.
  • the AUSF shall store the XRES* temporarily together with the received SUCI or SUPI.
  • the AUSF shall then generate the 5G AV from the 5G HE AV received from the UDM/ARPF by computing the HXRES* from XRES* (according to Annex A.5) and KSEAF from KAUSF (according to Annex A.6), and replacing the
  • the AUSF shall then remove the KSEAF and return the 5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*) to the SEAF in a Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response.
  • the SEAF shall send RAND, AUTN to the UE in a NAS message Authentication Request.
  • This message shall also include the ngKSI that will be used by the UE and AMF to identify the KAMF and the partial native security context that is created if the authentication is successful.
  • This message shall also include the ABBA parameters.
  • the SEAF shall set the ABBA parameter as defined in Annex A.7.1.
  • the ME shall forward the RAND and AUTN received in NAS message Authentication Request to the USIM.
  • the USIM shall verify the freshness of the received values by checking whether AUTN can be accepted as described in TS 33.102. If so, the USIM computes a response RES. The USIM shall return RES, CK, IK to the ME. If the USIM computes a Kc (i.e. GPRS Kc) from CK and IK using conversion function c3 as described in TS 33.102, and sends it to the ME, then the ME shall ignore such GPRS Kc and not store the GPRS Kc on USIM or in ME. The ME then shall compute RES* from RES according to Annex A.4. The ME shall calculate KAUSF from CK
  • Kc i.e. GPRS Kc
  • the ME shall calculate KSEAF from KAUSF according to clause A.6.
  • An ME accessing 5G shall check during authentication that the "separation bit" in the AMF field of AUTN is set to 1.
  • the "separation bit” is bit 0 of the AMF field of AUTN.
  • the UE shall return RES* to the SEAF in a NAS message Authentication Response.
  • the SEAF shall then compute HRES* from RES* according to Annex A.5, and the SEAF shall compare HRES* and HXRES*. If they coincide, the SEAF shall consider the authentication successful from the serving network point of view. If not, the SEAF proceed as described in sub-clause 6.1.3.2.2. If the UE is not reached, and the RES* is never received by the SEAF, the SEAF shall consider authentication as failed, and indicate a failure to the AUSF.
  • the SEAF shall send RES*, as received from the UE, in a Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request message to the AUSF.
  • the AUSF may verify whether the 5G AV has expired. If the 5G AV has expired, the AUSF may consider the authentication as unsuccessful from the home network point of view. Upon successful authentication, the AUSF stores the KAUSF based on the home network operator's policy according to clause 6.1.1.1. AUSF shall compare the received RES* with the stored XRES*. If the RES* and XRES* are equal, the AUSF shall consider the authentication as successful from the home network point of view. AUSF shall inform UDM about the authentication result (see sub-clause 6.1.4 of the present document for linking with the authentication confirmation).
  • the AUSF shall indicate to the SEAF in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response whether the authentication was successful or not from the home network point of view. If the authentication was successful, the KSEAF shall be sent to the SEAF in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response. In case the AUSF received a SUCI from the SEAF in the authentication request (see sub-clause 6.1.2 of the present document), and if the authentication was successful, then the AUSF shall also include the SUPI in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response message.
  • the authentication procedure for 5G AKA is as follows or Figure 6.1.3.2-1.
  • the UDM/ARPF shall generate a 5G HE AV.
  • the UDM/ARPF does this by generating an AV with the Authentication Management Field (AMF) separator bit set to "1" as defined in TS 33.102.
  • the UDM/ARPF then derives the KAUSF (according to Annex A.2) and computes the XRES* (according to Annex A.4).
  • the UDM/ARPF shall generate a 5G HE AV from the RAND, AUTN, XRES*, and KAUSF.
  • the UDM shall return the 5G HE AV to the AUSF in the Nudm_UEAuthentication_Get response with an indication that the 5G HE AV is used for 5G AKA. If SUCI was included in the Nudm_UEAuthentication_Get request, the UDM shall include SUCI in the Nudm_UEAuthentication_Get response after the SUCI is unmasked by the SIDF.
  • UDM must include the AKMA indication and routing indication in the Nudm_UEAuthentication_Get response.
  • AUSF must temporarily store XRES* along with the received SUCI or SUPI.
  • AUSF shall generate 5G AV from 5G HE AV received from UDM/ARPF by calculating HXRES* from XRES* (according to Annex A.5) and KSEAF from KAUSF (according to Annex A.6).
  • HXRES* is replaced with HXRES*
  • KAUSF is replaced with KSEAF.
  • AUSF shall remove KSEAF and return 5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*) to SEAF via Nausf_UEAuthentication_Authenticate response.
  • SEAF shall send RAND and AUTN to the UE via NAS message authentication request.
  • This message also includes the ngKSI, which the UE and AMF will use to identify the KAMF, and the partial default security context created if authentication is successful.
  • This message also includes ABBA parameters.
  • SEAF shall set the ABBA parameters as defined in Appendix A.7.1.
  • the ME shall forward the RAND and AUTN received in the NAS message authentication request to the USIM.
  • the ABBA parameter is included to enable bid-down protection for security features.
  • the USIM Upon receiving RAND and AUTN, the USIM shall verify the up-to-dateness of the received values by checking whether it can accept the AUTN as described in TS 33.102. If so, the USIM shall compute the response RES. The USIM shall return RES, CK, and IK to the ME. If the USIM computes Kc (i.e., GPRS Kc) from CK and IK using the conversion function c3 as described in TS 33.102 and sends it to the ME, the ME shall ignore such GPRS Kc and shall not store the GPRS Kc on the USIM or in the ME. The ME shall then compute RES* from RES according to Annex A.4.
  • Kc i.e., GPRS Kc
  • the ME shall compute KAUSF from CK
  • the ME shall compute KSEAF from KAUSF according to Clause A.6.
  • MEs connecting to 5G must ensure that the "separation bit" in the AMF field of the AUTN is set to 1 during authentication.
  • the "separation bit” is bit 0 of the AMF field of the AUTN.
  • the UE must return RES* to SEAF in the NAS message authentication response.
  • SEAF shall then calculate HRES* from RES* according to Appendix A.5, and compare HRES* with HXRES*. If they match, SEAF shall consider authentication successful from the service network perspective. Otherwise, SEAF shall proceed as described in subsection 6.1.3.2.2. If the UE is not reached and RES* is not received by SEAF, SEAF shall consider authentication to have failed and indicate a failure to AUSF.
  • the AUSF When the AUSF receives a Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request message containing RES* as an authentication confirmation, it can check whether the 5G AV has expired. If the 5G AV has expired, the AUSF can consider it as an authentication failure from the home network perspective. If the authentication is successful, the AUSF stores the KAUSF according to the home network operator's policy as per Section 6.1.1.1. The AUSF compares the received RES* with the stored XRES*. If the RES* and XRES* are identical, the AUSF shall consider the authentication as a success from the home network perspective. The AUSF shall notify the UDM about the authentication result (see subsection 6.1.4 of this document for connection with the authentication confirmation).
  • the user authentication process is performed as shown in the above diagram.
  • the AUSF Authentication Server Function
  • 5G HE AV Home Environment Authentication Vector
  • the AUSF generates a 5G AV from the 5G HE AV received from the UDM (Unified Data Management) and transmits the 5G SE AV (Serving Environment Authentication Vector) excluding the SEAF Key to the SEAF.
  • the SEAF transmits an Authenticate Request message including the value excluding the HXRES* value of the 5G SE AV to the terminal.
  • the terminal generates an AUTN using the received RAND value and the top-level key stored in the terminal's USIM, and authenticates the network by verifying whether this value is the same as the AUTN received from the SEAF.
  • the RES* value to be used for terminal authentication and the AUSF Key and SEAF Key to be used in the terminal are sequentially generated, and then the RES* is transmitted to the SEAF via the Authenticate Response message.
  • the SEAF obtains the HRES* using the RES* transmitted by the terminal, and authenticates the terminal by comparing it with the HXRES* value of the 5G SE AV transmitted from the AUSF. In other words, the terminal is authenticated from the perspective of the network (SN) that provides the service to the terminal.
  • the SEAF forwards the RES* received from the terminal back to the AUSF, and the AUSF re-authenticates the terminal from the perspective of the home network (HN) by comparing it with the XRES* value of the 5G HE AV transmitted from the UDM.
  • the AUSF transmits the subscriber's identity information, SUPI, and SEAF Key, to the SEAF of the network (SN) to which the terminal is connected, and reports the authentication result to the UDM.
  • the 5G-AKA procedure is characterized by complementing the weaknesses of the 4G EPS-AKA procedure.
  • authentication is further strengthened by simultaneously receiving authentication from both the network (SN) to which the terminal is connected and receiving services, as well as the home network (HN) to which the terminal is subscribed.
  • the subscriber identity information, SUPI is transmitted to the network (SN) to which the terminal is connected only after authentication by the home network is completed, and the AMF key can be generated only with this SUPI. This prevents a series of abnormal procedures from occurring, in which the network to which the terminal is connected completes the authentication procedure independently and proceeds with the subsequent key sharing and security context setup procedure without home network authentication.
  • Figure 28 shows (3GPP TS 23.003 v18.2)
  • Figure 2.2B-1 Structure of SUCI.
  • the SUCI is composed of the following parts:
  • SUPI Type consisting in a value in the range 0 to 7. It identifies the type of the SUPI concealed in the SUCI. The following values are defined:
  • GCI Global Cable Identifier
  • the Home Network Identifier is composed of two parts:
  • MCC Mobile Country Code
  • MNC Mobile Network Code
  • the Home Network Identifier consists of a string of characters with a variable length representing a domain name as specified in clause 2.2 of IETF RFC 7542.
  • the domain name shall correspond to the realm part specified in the NAI format for SUPI in clauses 28.15.2 and 28.16.2.
  • Routing Indicator consisting of 1 to 4 decimal digits assigned by the home network operator and provisioned in the USIM, that allow together with the Home Network Identifier to route network signaling with SUCI to AUSF and UDM instances capable to serve the subscriber.
  • Each decimal digit present in the Routing Indicator shall be regarded as meaningful (e.g. value "012” is not the same as value "12"). If no Routing Indicator is configured on the USIM or the ME, this data field shall be set to the value 0 (i.e. only consist of one decimal digit of "0").
  • Protection Scheme Identifier consisting in a value in the range of 0 to 15 (see Annex C.1 of 3GPP TS 33.501). It represents the null scheme or a non-null scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501 or a protection scheme specified by the HPLMN; the null scheme shall be used if the SUPI type is a GLI or GCI.
  • Home Network Public Key Identifier consisting in a value in the range 0 to 255. It represents a public key provisioned by the HPLMN or SNPN and it is used to identify the key used for SUPI protection. This data field shall be set to the value 0 if and only if null protection scheme is used;
  • Scheme Output consisting of a string of characters with a variable length or hexadecimal digits, dependent on the used protection scheme, as defined below. It represents the output of a public key protection scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501 or the output of a protection scheme specified by the HPLMN.
  • SUCI consists of the following parts:
  • SUPI type consisting of values in the range 0 to 7. Identifies the SUPI type hidden in SUCI. The following values are defined.
  • NBI Network Specific Identifier
  • the Mobile Country Code (MCC) consists of three decimal places.
  • MCC Mobile Country Code
  • the Mobile Network Code (MNC) consists of two or three decimal digits.
  • the MNC identifies the home PLMN or SNPN of the mobile subscription.
  • a routing indicator consisting of a 1- to 4-digit decimal number assigned by the home network operator and provided to the USIM.
  • network signals can be routed to AUSF and UDM instances capable of providing service to subscribers.
  • each decimal digit in the routing indicator is considered significant (e.g., the value "012” is not the same as the value "12"). If no routing indicator is configured on the USIM or ME, this data field must be set to the value 0 (i.e., it consists of only one decimal digit, "0").
  • a protection scheme identifier (see Annex C.1 of 3GPP TS 33.501) consisting of values in the range 0 to 15. It indicates the null scheme, non-null scheme, or protection scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501, or the protection scheme specified by HPLMN. The null scheme must be used when the SUPI type is GLI or GCI.
  • Home network public key identifier consisting of a value in the range 0 to 255. This represents the public key provided by the HPLMN or SNPN and is used to identify the key used for SUPI protection. This data field should be set to 0 only when the null protection scheme is used.
  • Scheme output consisting of a string of variable length or hexadecimal digits, depending on the protection scheme used as defined below. This represents the output of the public key protection scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501 or the output of the protection scheme specified by HPLMN.
  • the content corresponding to the Scheme Output part above may be configured differently depending on the protection scheme, and may be configured as in Fig. 29 or Fig. 30 when the Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme is used.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating an example of a system output for an elliptic curve integrated encryption scheme profile A applicable to the present disclosure.
  • Figure 29 shows (3GPP TS 23.003 v18.2)
  • Figure 2.2B-3 Scheme Output for Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme Profile A.
  • PQC Post-Quantum Cryptography
  • Sharing a Classical Public Key in a reliable manner means obtaining the Classical Public Key through out-of-verification.
  • the HN's Classical Public Key is obtained during the initial USIM registration phase of the terminal.
  • HN sets the Public Key validity time Threshold T to be less than the time X that it takes to threaten the stability of the Public Key.
  • the validity time Threshold T can be determined in real time by HN and stored in the UDM.
  • Periodically generated key pairs are stored in the HN's UDM in the order of generation.
  • TS 33.501 5.8.2 Subscriber privacy-related requirements to UDM and SIDF: The Home Network Private Key used for subscriber privacy shall be protected from physical attacks in the UDM.
  • the UDM shall hold the Home Network Public Key Identifier(s) for the private/public key pair(s) used for subscriber privacy.
  • Key Pairs generated by HN may be limited to Key Pairs that have not been used before.
  • HN is the Secret Key of the Key Pair that was previously disclosed and used.
  • Public Key to be disclosed from the newly created Key Pair Encrypts and creates a Renewal Key Block (RKB).
  • RKB Renewal Key Block
  • the identifier for the Home Network Public Key indicates which key among the Home Network Public Keys is being renewed.
  • Basis Secret is an encryption technique corresponding to the Protection Scheme ID. Updated Public Key of HN encrypted by am.
  • Validity Information indicates the time for which the information in the Renewal Key Block is valid.
  • the public channel may be an upper layer channel that carries upper layer messages.
  • All UEs receive the broadcasted RKB and decrypt the RKB's Encrypted P-Key using the existing HN's Public Key.
  • HN and UE can perform data encryption using Classical Public Key for X time, and security is not threatened during this time. However, it does not prevent HNDL Attack.
  • the request for the quantum public key can be made through a classic channel or a public channel (not a secure channel).
  • the public channel can be a physical channel that carries physical layer messages.
  • PUSCH physical uplink shared channel
  • PUCCH physical uplink control channel
  • it can be an upper layer channel that carries upper layer messages.
  • the request for transmission of the Quantum Public Key can be received through the Serving Network (SN)
  • the request can include information about the HN in order to request the Quantum Public Key of the HN.
  • a request to transmit a Quantum Public Key may be made including the length of the required Quantum Public Key.
  • the HN generates a Quantum Public Key to be shared with the UE.
  • the Quantum Public Key is generated from a Private Key, which can be logical information.
  • the Quantum Public Key represents a quantum state generated in one of two types, as follows:
  • FIG. 31a is a diagram illustrating an example of modulation by Qubit Rotation in a system applicable to the present disclosure.
  • (1-3) HN modulates the Initial Quantum State based on an arbitrary natural number n to create a Quantum Public Key Creates.
  • Qubit Rotation is Initial Quantum State class It means that the z-axis phase rotation occurs between them. At this time, the axes that can be used are all x, y, and z. However, Initial Quantum State class If you are on this z-axis, you can also use only x-axis or y-axis rotation.
  • i is the index of the key.
  • the Initial Bell State can be set to one of four Bell States.
  • I stands for Pauli I.
  • i is the index of the key.
  • the HN sends the Quantum Public Key to the UE.
  • the Quantum Public Key It can be the first particle of a single qubit based public key or an entanglement based public key.
  • the quantum public key transmission is transmitted through a quantum channel.
  • Quantum Public Key transmission can be transmitted with the Quantum Public Key length set based on the length information of the Quantum Public Key included in the UE's Request of Quantum Public Key.
  • the UE performs Qubit Selection and Measurement Basis Selection among all Quantum Public Keys received from the HN for Hybrid QBER Check.
  • the number of qubits selected for the UE's Hybrid QBER Check can be predetermined for the entire quantum public key length. For example, the number of qubits corresponding to x% of the entire quantum public key length L can be selected randomly.
  • the Qubit Index (or Quantum Public Key Index) selected for Hybrid QBER Check is It can be expressed as .
  • IS is the Qubit Index Set selected for Hybrid QBER Check
  • I is the Index Set of the entire Quantum Public Key.
  • the selection of the measurement basis for the Hybrid QBER Check of the UE determines which basis to use for the measurement of each of the above-selected qubits.
  • the type of basis can be agreed upon in advance between the transmitter and receiver.
  • the quantum state of the quantum public key selected for the Hybrid QBER Check be the orthogonal basis of 0°, 90° or the diagonal basis of 45°, 135°, which represent four polarization states.
  • the quantum state of the quantum public key selected for the Hybrid QBER Check is measured by randomly selecting either the orthogonal basis or the diagonal basis.
  • the measurement basis of the quantum public key selected for the Hybrid QBER Check is It can be expressed as .
  • B S is the measurement basis index set of the qubit selected for Hybrid QBER Check
  • + represents the orthogonal basis
  • ⁇ represents the diagonal basis.
  • the UE measures the quantum public key selected for Hybrid QBER Check with the selected measurement basis, and the UE stores the quantum public key not selected for Hybrid QBER Check in the quantum memory.
  • the UE selects the Quantum Public Key Index Set I S corresponding to the Quantum Public Key Index Set selected for Hybrid QBER Check above. is measured by the Basis Index Set B ⁇ S:
  • the UE is not selected for the Hybrid QBER Check in the Quantum Public Key Index Set above. Quantum Public Key corresponding to Store in Quantum Memory.
  • the UE encrypts the Quantum Public Key Index information and measurement basis information selected for Hybrid QBER Check based on the Classical Public Key previously shared and updated with HN.
  • OOK ON/Off Keying
  • Phase/Amplitude/Polarization Modulation methods can be used.
  • (1-2-4) Protection Scheme ID may not be used if it is agreed upon between the sender and receiver in a single manner.
  • HN decrypts the encrypted Hybrid QBER Check Information using the Classical Private Key corresponding to the Trapdoor of the Classical Public Key held by HN. At this time, the decryption method is performed based on the Protection Scheme ID of the Hybrid QBER Check Packet.
  • HN selects quantum public keys using the same basis based on the Hybrid QBER Check Information of the Hybrid QBER Check Packet received from the UE, compared with the quantum public key generation information, and defines the quantum state of the selected quantum public key as bit information.
  • HN Since HN possesses accurate information about the quantum state of each quantum public key during the quantum public key generation phase, it compares the basis information of the generated quantum public key corresponding to the quantum public key index of the Hybrid QBER Check Information received from the UE with the measured basis information of the Hybrid QBER Check Information. If the same basis is selected and transmitted from the UE, it determines that the basis of HN and the UE match and selects the matching quantum public key index:
  • I M is the Index Set of Hybrid QBER Check Information with Matched Basis
  • I S is the Qubit Index Set selected for Hybrid QBER Check. means the index within the I S Set of the Qubit whose basis matches among I S. For example, If, When, am.
  • HN Since HN has accurate information about the quantum state of each quantum public key at the stage of generating a quantum public key, it defines the measurement information (or quantum state information) of the matched quantum public key as a bit message as in the following mathematical expression 4:
  • the UE determines that the Quantum Public Key of the HN received in 2.1.4 is valid.
  • the UE determines that the Quantum Public Key of the HN received in 2.1.4 is invalid and transmits the validation result indication signal to the HN as ‘Not-OK’ through the Quantum Channel or Classical Channel.
  • the UE determines that the Quantum Public Key of the HN received in 2.1.4 is invalid, it discards the Quantum Public Key and restarts the QPKI Protocol.
  • each Quantum Public Key is generated in an orthogonal (+) or diagonal (x) basis, and is defined as follows: if it is horizontal, the message is 0, if it is vertical, the message is 1, if it is +45°, the message is 0, and if it is -45° (or 135°), the message is 1.
  • Bob selects Index ⁇ 2, 4, 6, 7 ⁇ for Hybrid QBER Check, and selects Basis ⁇ +, +, x, x ⁇ for the selected Index, and the result of measuring the quantum state is ⁇ 0, 1, 0, 1 ⁇ .
  • Alice compares the Index information ⁇ 2, 4, 6, 7 ⁇ and Basis information ⁇ +, +, x, x ⁇ with the 8 Quantum Public Key information Alice generated, selects Index ⁇ 2, 6 ⁇ that uses the same Basis, and derives Message information ⁇ 0, 0 ⁇ .
  • Alice sends the derived Index information ⁇ 1, 3 ⁇ and Message information ⁇ 0, 0 ⁇ to Bob.
  • Fields composed of optical signals can have a field size defined in advance between the transmitter and receiver.
  • Protection Scheme ID can be set to the default value 0 if it is agreed upon between the sender and receiver in a single manner.
  • (1-2-3) Home Network Public Key ID is a field that indicates the Quantum Public Key ID for the encrypted data of the QPKE Packet.
  • Quantum Public Key used for Encrypted Data is composed of multiple Quantum States, it can indicate the first Index among the entire Quantum Public Key.
  • the Encrypted Data Field composed of Quantum State Stream can have a field size defined in advance between the sender and receiver.
  • QPKE Control Packet consists entirely of classical information and can be composed of RF Signal or Optical Signal.
  • OOK ON/Off Keying
  • Phase/Amplitude/Polarization Modulation methods can be used.
  • the fields of the QPKE Control Packet can have a field size that is agreed upon in advance between the transmitter and receiver.
  • Synchronization Header is synchronization information for linking information with QPKE Control Packet transmitted through a classical channel and QPKE Packet transmitted through a quantum channel.
  • Protection Scheme ID is a field that indicates the encryption method of the encrypted data of the QPKE Packet controlled by the QPKE Control Packet.
  • (2-2-3-3) Protection Scheme ID can include the Type of Quantum Public Key.
  • Quantum Public Key used for Encrypted Data is composed of multiple Quantum States, it can indicate the first Index among the entire Quantum Public Key.
  • FIG. 37 is a diagram illustrating an example of a QPKE Packet structure in a system applicable to the present disclosure.
  • ON/Off Keying OOK
  • Phase/Amplitude/Polarization Modulation methods can be used.
  • the Synchronization Code can be an Index indicating the order of the QPKE Packet, and the Synchronization Code can be defined as a Sequence structure that can be detected at the receiving end.
  • Synchronization Code above is an index indicating the order of the QPKE Packet, it is defined as a Sequence structure with a length that can perform information separation between multiple users.
  • HN When HN receives a quantum channel-based QPKE packet, it decrypts the public key information of the encrypted data into private key information based on the Protection Scheme ID and the Home Network Public Key ID. When the Home Network Public Key ID is i, HN decrypts the i-th Quantum Public Key Generation information (or Private Key) Because I know Compensation for Perform.
  • the initial state About the i-th Data information can be obtained. Therefore, by measuring the Decrypted quantum state, the Decrypted Data d_i can be obtained. In the same way, by performing Decryption and quantum state measurement on the entire Encrypted Data, the entire Data can be obtained.
  • (1-2) HN receives a QPKE Control Packet based on a classical channel, and when a QPKE Packet is received based on a quantum channel, it detects and compares the Synchronization Header of the QPKE Control Packet and the QPKE Packet, and ties packets with the same Synchronization Code.
  • the Quantum Public Key information of the encrypted data of the tied QPKE Packet is decrypted into Private Key information.
  • HN is the i-th Quantum Public Key Generation information (or Private Key) Because I know Compensation for Perform.
  • HN When HN receives a quantum channel-based QPKE Packet, it decrypts the quantum public key information of the encrypted data into private key information based on the Protection Scheme ID and the Home Network Public Key ID. When the Home Network Public Key ID is i, HN decrypts the i-th quantum public key Generation information (or Private Key) Because I know Compensation for Perform.
  • HN receives a QPKE Control Packet based on a classical channel, and when a QPKE Packet is received based on a quantum channel, it detects and compares the Synchronization Header of the QPKE Control Packet and the QPKE Packet, and ties packets with the same Synchronization Code.
  • the Quantum Public Key information of the encrypted data of the tied QPKE Packet is decrypted into private key information.
  • HN is the i-th Public Key Generation information (or Private Key) Because I know Compensation for Perform.
  • FIG. 38 is a diagram illustrating an example of the operation of quantum channel and classical channel signals performed with Single Qubit based QPK in Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI) in a system applicable to the present disclosure.
  • QPKI Quantum Public Key Infrastructure
  • CP Classical Public Key
  • CS Classical Private Key
  • FIG. 39 is a flowchart illustrating the entire process of Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI) in a system applicable to the present disclosure.
  • QPKI Quantum Public Key Infrastructure
  • Alice generates a Classical Public Key using her Classical Private Key.
  • Alice and Bob share a classic public key via a certificated infrastructure.
  • Alice receives a Request Quantum Public Key from Bob.
  • Bob performs basis selection based on the selected index and selected basis.
  • Alice receives a Hybrid QBER Check Packet from Bob.
  • Alice sends a Hybrid QBER Check Response Packet to Bob.
  • Bob sends Alice the result of the QPK validation based on the QBER Check Time and whether the QBER conditions are satisfied.
  • Bob performs message encryption via a plaintext message.
  • Alice receives a QPKE packet from Bob.
  • the QPKE Control Packet or QPKE Packet mentioned in this disclosure is described in terms of the relationship between a UE and an HN, but it is self-evident that it can be applied in the same manner between nodes of the same level.
  • the UE can be Node A
  • the HN can be Node B, and they can configure Quantum Public Key Encrypted Packets in the same manner to exchange Encapsulated & Encrypted Data.
  • the Home Network Public Key ID can be renamed and operated as the Public Key ID of the other Node.
  • all general signal information transmitted via classical channels can also be transmitted via quantum channels.
  • information transmitted via quantum channels information that can be transmitted via classical channels may not have physical security requirements.
  • the Classical Public Key System is not limited to encryption methods based on Public Key Encryption, such as RSA (RIVEST-SHAMIR-ADLEMAN) or ECC (Elliptic Curve Cryptography). It is self-evident that the Classical Public Key System in the proposed Quantum Public Key Infrastructure System can correspond to any encryption method utilizing asymmetric keys. For example, it is self-evident that the same method can be applied to the Post Quantum Cryptography (PQC) encryption method developed to counter quantum algorithms.
  • PQC Post Quantum Cryptography
  • FIG. 40 is a diagram illustrating an example of the operation process of the first node in a system applicable to the present disclosure.
  • a method performed by a first node in a communication system is provided.
  • each of the first node and the second node may correspond to either a terminal or a base station in a wireless communication system.
  • the first node may correspond to either Alice, HN, or BS.
  • the embodiment of FIG. 40 may further include, before step S4001, one or more of the following steps: a step in which the first node transmits one or more synchronization signals to the second node; a step in which the first node transmits system information to the second node; a step in which the first node transmits configuration information to the second node; and a step in which the first node transmits control information to the second node.
  • the embodiment of FIG. 40 may further include, before step S4001, one or more of the following steps: a first node receiving a random access preamble from a second node; a first node transmitting a random access response (RAR) to the second node; a first node receiving a random access message 3 from the second node; and a first node transmitting a contention resolution message to the second node.
  • Message 3 is a first PUSCH transmission scheduled by RAR together with an RAR UL grant.
  • step S4001 the first node sends a quantum public key (QPK) based on a private key to the second node.
  • QPK quantum public key
  • step S4002 the first node receives a hybrid QBER check packet related to the result of a hybrid QBER check (hybrid quantum bit error rate check) for the first qubits among the plurality of qubits constituting the QPK from the second node.
  • a hybrid QBER check hybrid quantum bit error rate check
  • step S4003 the first node decrypts the hybrid QBER check packet with a classical private key to generate basis matching information of the QPK.
  • step S4004 the first node transmits a hybrid QBER check response packet based on the base matching information to the second node.
  • step S4005 the first node receives a verification result of the validity of the QPK from the second node based on the base matching information.
  • the first node receives an encrypted message from the second node based on the validity of the QPK, based on second qubits among the plurality of qubits that are not used in the hybrid QBER check.
  • the basis matching information may be based on whether the basis information of the generated quantum public key corresponding to the quantum public key index of the hybrid QBER test information matches the measured basis information of the hybrid QBER test information.
  • the hybrid QBER check information may be based on decryption of the hybrid QBER check packet.
  • the validity of the QPK may be based on a comparison of the result of the hybrid QBER check reported in the hybrid QBER check response packet with a predefined threshold value.
  • the embodiment of FIG. 40 may further include a step of discarding the QPK and transmitting a newly generated second QPK to the second node when the hybrid QBER check response packet indicates a QBER greater than a predetermined threshold value.
  • the embodiment of FIG. 40 may further include a step of obtaining information of the message based on the private key.
  • decryption of the encrypted message may be based on compensation via the private key for information of the second qubits.
  • a first node in a communication system.
  • the first node includes a transceiver and at least one processor, wherein the at least one processor may be configured to perform the operating method of the first node according to FIG. 40.
  • a device for controlling a first node in a communication system includes at least one processor and at least one memory operably connected to the at least one processor.
  • the at least one memory may be configured to store instructions for performing an operating method of the first node according to FIG. 40 based on instructions executed by the at least one processor.
  • one or more non-transitory computer-readable media storing one or more instructions.
  • the one or more instructions when executed by one or more processors, perform operations, and the operations may include the operating method of the first node according to FIG. 40.
  • FIG. 41 is a diagram illustrating an example of the operation process of a second node in a system applicable to the present disclosure.
  • a method performed by a second node in a communication system is provided.
  • each of the first node and the second node may correspond to either a terminal or a base station in a wireless communication system.
  • the second node may correspond to either Bob or a UE.
  • the embodiment of FIG. 41 may further include, before step S4101, one or more of the following steps: a step in which the second node receives one or more synchronization signals from the first node; a step in which the second node receives system information from the first node; a step in which the second node receives configuration information from the first node; and a step in which the second node receives control information from the first node.
  • the embodiment of FIG. 41 may further include, before step S4101, one or more of the following steps: a step in which the second node transmits a random access preamble to the first node; a step in which the second node receives a random access response (RAR) from the first node; a step in which the second node transmits a random access message 3 to the first node; and a step in which the second node receives a contention resolution message from the first node.
  • Message 3 is a first PUSCH transmission scheduled by RAR together with an RAR UL grant.
  • the second node receives a quantum public key (QPK) based on a private key from the first node.
  • QPK quantum public key
  • step S4102 the second node transmits a hybrid QBER check packet related to the result of a hybrid QBER check (hybrid quantum bit error rate check) for the first qubits among the plurality of qubits constituting the QPK to the first node.
  • a hybrid QBER check hybrid quantum bit error rate check
  • the second node receives a hybrid QBER check response packet based on the basis matching information of the QPK from the first node.
  • the second node verifies the validity of the QPK based on the hybrid QBER check response packet.
  • step S4105 the second node transmits the result of verification of the validity of the QPK to the first node.
  • step S4106 the second node transmits an encrypted message to the first node based on the second qubits that are not used in the hybrid QBER check among the plurality of qubits, based on the validity of the QPK.
  • the base matching information is generated by classical private key-based decryption of the hybrid QBER check packet.
  • the basis matching information may be based on whether the basis information of the generated quantum public key corresponding to the quantum public key index of the hybrid QBER test information matches the measured basis information of the hybrid QBER test information.
  • the hybrid QBER check information may be based on decryption of the hybrid QBER check packet.
  • the validity of the QPK may be based on a comparison of the result of the hybrid QBER check reported in the hybrid QBER check response packet with a predefined threshold value.
  • the embodiment of FIG. 41 may further include a step of discarding the QPK and receiving a newly generated second QPK from the second node if the hybrid QBER check response packet indicates a QBER greater than a predetermined threshold value.
  • decoding of the message can be performed based on the private key.
  • decryption of the encrypted message may be based on compensation via the private key for information of the second qubits.
  • a second node in a communication system.
  • the second node includes a transceiver and at least one processor, wherein the at least one processor may be configured to perform the operating method of the second node according to FIG. 41.
  • a device for controlling a first node in a communication system includes at least one processor and at least one memory operably connected to the at least one processor.
  • the at least one memory may be configured to store instructions for performing an operating method of a second node according to FIG. 41 based on instructions executed by the at least one processor.
  • one or more non-transitory computer-readable media storing one or more instructions.
  • the one or more instructions when executed by one or more processors, perform operations, and the operations may include the operating method of a second node according to FIG. 41.
  • FIG. 42 illustrates a communication system (1) applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • a communication system (1) applicable to various embodiments of the present disclosure includes a wireless device, a base station, and a network.
  • the wireless device refers to a device that performs communication using a wireless access technology (e.g., 5G NR (New RAT), LTE (Long Term Evolution), 6G wireless communication), and may be referred to as a communication/wireless/5G device/6G device.
  • 5G NR New RAT
  • LTE Long Term Evolution
  • 6G wireless communication e.g., 6G wireless communication
  • the wireless device may include a robot (100a), a vehicle (100b-1, 100b-2), an XR (eXtended Reality) device (100c), a hand-held device (100d), a home appliance (100e), an IoT (Internet of Things) device (100f), and an AI device/server (400).
  • the vehicle may include a vehicle equipped with a wireless communication function, an autonomous vehicle, a vehicle capable of performing vehicle-to-vehicle communication, etc.
  • the vehicle may include an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) (e.g., a drone).
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • XR devices include AR (Augmented Reality)/VR (Virtual Reality)/MR (Mixed Reality) devices, and may be implemented in the form of a Head-Mounted Device (HMD), a Head-Up Display (HUD) installed in a vehicle, a television, a smartphone, a computer, a wearable device, a home appliance, digital signage, a vehicle, a robot, etc.
  • Mobile devices may include a smartphone, a smart pad, a wearable device (e.g., a smart watch, smart glasses), a computer (e.g., a laptop, etc.), etc.
  • Home appliances may include a TV, a refrigerator, a washing machine, etc.
  • IoT devices may include a sensor, a smart meter, etc.
  • a base station and a network may also be implemented as a wireless device, and a specific wireless device (200a) may act as a base station/network node to other wireless devices.
  • Wireless devices (100a to 100f) can be connected to a network (300) via a base station (200). Artificial Intelligence (AI) technology can be applied to the wireless devices (100a to 100f), and the wireless devices (100a to 100f) can be connected to an AI server (400) via the network (300).
  • the network (300) can be configured using a 3G network, a 4G (e.g., LTE) network, a 5G (e.g., NR) network, or a 6G network.
  • the wireless devices (100a to 100f) can communicate with each other via the base station (200)/network (300), but can also communicate directly (e.g., sidelink communication) without going through the base station/network.
  • vehicles can communicate directly (e.g., V2V (Vehicle to Vehicle)/V2X (Vehicle to everything) communication).
  • IoT devices e.g., sensors
  • IoT devices can communicate directly with other IoT devices (e.g., sensors) or other wireless devices (100a to 100f).
  • Wireless communication/connection can be established between wireless devices (100a ⁇ 100f)/base stations (200), and base stations (200)/base stations (200).
  • wireless communication/connection can be achieved through various wireless access technologies (e.g., 5G NR) such as uplink/downlink communication (150a), sidelink communication (150b) (or D2D communication), and base station-to-base station communication (150c) (e.g., relay, IAB (Integrated Access Backhaul).
  • 5G NR wireless access technologies
  • uplink/downlink communication 150a
  • sidelink communication 150b
  • base station-to-base station communication 150c
  • wireless devices and base stations/wireless devices, and base stations and base stations can transmit/receive wireless signals to each other.
  • wireless communication/connection can transmit/receive signals through various physical channels.
  • various configuration information setting processes for transmitting/receiving wireless signals various signal processing processes (e.g., channel encoding/decoding, modulation/demodulation, resource mapping/demapping, etc.), and resource allocation processes can be performed based on various proposals of various embodiments of the present disclosure.
  • NR supports multiple numerologies (or subcarrier spacing (SCS)) to support various 5G services.
  • SCS subcarrier spacing
  • an SCS of 15 kHz supports a wide area in traditional cellular bands
  • an SCS of 30 kHz/60 kHz supports dense urban areas, lower latency, and wider carrier bandwidth
  • an SCS of 60 kHz or higher supports a bandwidth greater than 24.25 GHz to overcome phase noise.
  • the communication system (1) can support terahertz (THz) wireless communication.
  • the frequency band expected to be used for THz wireless communication may be a D-band (110 GHz to 170 GHz) or H-band (220 GHz to 325 GHz) band where propagation loss due to absorption of molecules in the air is small.
  • FIG. 43 illustrates a wireless device that can be applied to various embodiments of the present disclosure.
  • a first wireless device (100) includes one or more processors (102) and one or more memories (104), and may further include one or more transceivers (106) and/or one or more antennas (108).
  • the processor (102) controls the memories (104) and/or the transceivers (106), and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flowcharts disclosed in this document.
  • the processor (102) may process information in the memory (104) to generate first information/signal, and then transmit a wireless signal including the first information/signal via the transceiver (106).
  • the processor (102) may receive a wireless signal including second information/signal via the transceiver (106), and then store information obtained from signal processing of the second information/signal in the memory (104).
  • the memory (104) may be connected to the processor (102) and may store various information related to the operation of the processor (102). For example, the memory (104) may perform some or all of the processes controlled by the processor (102), or may store software code including commands for performing the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operation flowcharts disclosed in this document.
  • the processor (102) and the memory (104) may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (e.g., LTE, NR).
  • the transceiver (106) may be connected to the processor (102) and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas (108).
  • the transceiver (106) may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver (106) may be used interchangeably with an RF (Radio Frequency) unit.
  • a wireless device may mean a communication modem/circuit/chip.
  • the second wireless device (200) includes one or more processors (202), one or more memories (204), and may further include one or more transceivers (206) and/or one or more antennas (208).
  • the processor (202) controls the memories (204) and/or the transceivers (206), and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flowcharts disclosed in this document.
  • the processor (202) may process information in the memory (204) to generate third information/signals, and then transmit a wireless signal including the third information/signals via the transceivers (206).
  • the processor (202) may receive a wireless signal including fourth information/signals via the transceivers (206), and then store information obtained from signal processing of the fourth information/signals in the memory (204).
  • the memory (204) may be connected to the processor (202) and may store various information related to the operation of the processor (202). For example, the memory (204) may perform some or all of the processes controlled by the processor (202), or may store software code including commands for performing the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operation flowcharts disclosed in this document.
  • the processor (202) and the memory (204) may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement wireless communication technology (e.g., LTE, NR).
  • the transceiver (206) may be connected to the processor (202) and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas (208).
  • the transceiver (206) may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver (206) may be used interchangeably with an RF unit.
  • a wireless device may also mean a communication modem/circuit/chip.
  • one or more protocol layers may be implemented by one or more processors (102, 202).
  • one or more processors (102, 202) may implement one or more layers (e.g., functional layers such as PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP).
  • One or more processors (102, 202) may generate one or more Protocol Data Units (PDUs) and/or one or more Service Data Units (SDUs) according to the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operation flowcharts disclosed in this document.
  • PDUs Protocol Data Units
  • SDUs Service Data Units
  • One or more processors (102, 202) may generate messages, control information, data, or information according to the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operation flowcharts disclosed in this document.
  • One or more processors (102, 202) can generate signals (e.g., baseband signals) including PDUs, SDUs, messages, control information, data or information according to the functions, procedures, proposals and/or methods disclosed herein, and provide the signals to one or more transceivers (106, 206).
  • One or more processors (102, 202) may be referred to as a controller, a microcontroller, a microprocessor, or a microcomputer.
  • One or more processors (102, 202) may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • DSPs Digital Signal Processors
  • DSPDs Digital Signal Processing Devices
  • PLDs Programmable Logic Devices
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flowcharts disclosed in this document may be implemented using firmware or software, and the firmware or software may be implemented to include modules, procedures, functions, etc.
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operation flowcharts disclosed in this document may be implemented using firmware or software configured to perform one or more processors (102, 202) or stored in one or more memories (104, 204) and executed by one or more processors (102, 202).
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operation flowcharts disclosed in this document may be implemented using firmware or software in the form of codes, instructions and/or sets of instructions.
  • One or more memories (104, 204) may be coupled to one or more processors (102, 202) and may store various forms of data, signals, messages, information, programs, codes, instructions, and/or commands.
  • the one or more memories (104, 204) may be configured as ROM, RAM, EPROM, flash memory, hard drives, registers, cache memory, computer-readable storage media, and/or combinations thereof.
  • the one or more memories (104, 204) may be located internally and/or externally to the one or more processors (102, 202). Additionally, the one or more memories (104, 204) may be coupled to the one or more processors (102, 202) via various technologies, such as wired or wireless connections.
  • One or more transceivers (106, 206) can transmit user data, control information, wireless signals/channels, etc., as mentioned in the methods and/or flowcharts of this document, to one or more other devices.
  • One or more transceivers (106, 206) can receive user data, control information, wireless signals/channels, etc., as mentioned in the descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or flowcharts of this document, from one or more other devices.
  • one or more transceivers (106, 206) can be connected to one or more processors (102, 202) and can transmit and receive wireless signals.
  • one or more processors (102, 202) can control one or more transceivers (106, 206) to transmit user data, control information, or wireless signals to one or more other devices. Additionally, one or more processors (102, 202) may control one or more transceivers (106, 206) to receive user data, control information, or wireless signals from one or more other devices.
  • one or more transceivers (106, 206) may be coupled to one or more antennas (108, 208), and one or more transceivers (106, 206) may be configured to transmit and receive user data, control information, wireless signals/channels, or the like, as referred to in the descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or operational flowcharts disclosed herein, via one or more antennas (108, 208).
  • one or more antennas may be multiple physical antennas or multiple logical antennas (e.g., antenna ports).
  • One or more transceivers (106, 206) may convert received user data, control information, wireless signals/channels, etc.
  • One or more transceivers (106, 206) may convert processed user data, control information, wireless signals/channels, etc. from baseband signals to RF band signals using one or more processors (102, 202).
  • one or more transceivers (106, 206) may include an (analog) oscillator and/or a filter.
  • FIG. 44 illustrates another example of a wireless device that can be applied to various embodiments of the present disclosure.
  • the wireless device may include at least one processor (102, 202), at least one memory (104, 204), at least one transceiver (106, 206), and one or more antennas (108, 208).
  • the difference between the example of the wireless device described in FIG. 43 and the example of the wireless device in FIG. 44 is that in FIG. 43, the processor (102, 202) and the memory (104, 204) are separated, but in the example of FIG. 44, the memory (104, 204) is included in the processor (102, 202).
  • processor 102, 202
  • memory 104, 204
  • transceiver 106, 206
  • antennas 108, 208
  • the signal processing circuit (1000) may include a scrambler (1010), a modulator (1020), a layer mapper (1030), a precoder (1040), a resource mapper (1050), and a signal generator (1060).
  • the operations/functions of FIG. 45 may be performed in the processor (102, 202) and/or the transceiver (106, 206) of FIG. 43.
  • the hardware elements of FIG. 45 may be implemented in the processor (102, 202) and/or the transceiver (106, 206) of FIG. 43.
  • blocks 1010 to 1060 may be implemented in the processor (102, 202) of FIG. 43.
  • blocks 1010 to 1050 may be implemented in the processor (102, 202) of FIG. 43
  • block 1060 may be implemented in the transceiver (106, 206) of FIG. 43.
  • the codeword can be converted into a bit sequence scrambled by a scrambler (1010).
  • the scramble sequence used for scrambling is generated based on an initialization value, and the initialization value may include ID information of the wireless device, etc.
  • the scrambled bit sequence can be modulated into a modulation symbol sequence by a modulator (1020).
  • the modulation method may include pi/2-BPSK (pi/2-Binary Phase Shift Keying), m-PSK (m-Phase Shift Keying), m-QAM (m-Quadrature Amplitude Modulation), etc.
  • the complex modulation symbol sequence can be mapped to one or more transmission layers by a layer mapper (1030).
  • the resource mapper (1050) can map modulation symbols of each antenna port to time-frequency resources.
  • the time-frequency resources can include multiple symbols (e.g., CP-OFDMA symbols, DFT-s-OFDMA symbols) in the time domain and multiple subcarriers in the frequency domain.
  • the signal generator (1060) generates a wireless signal from the mapped modulation symbols, and the generated wireless signal can be transmitted to another device through each antenna.
  • the signal generator (1060) can include an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) module, a Cyclic Prefix (CP) inserter, a Digital-to-Analog Converter (DAC), a frequency uplink converter, etc.
  • IFFT Inverse Fast Fourier Transform
  • CP Cyclic Prefix
  • DAC Digital-to-Analog Converter
  • the signal processing process for receiving signals in a wireless device can be configured in reverse order of the signal processing process (1010 to 1060) of FIG. 45.
  • a wireless device e.g., 100, 200 of FIG. 43
  • the received wireless signals can be converted into baseband signals through a signal restorer.
  • the signal restorer can include a frequency downlink converter, an analog-to-digital converter (ADC), a CP remover, and a fast Fourier transform (FFT) module.
  • ADC analog-to-digital converter
  • FFT fast Fourier transform
  • the baseband signal can be restored to a codeword through a resource demapper process, a postcoding process, a demodulation process, and a descrambling process.
  • a signal processing circuit for a received signal may include a signal restorer, a resource de-mapper, a postcoder, a demodulator, a de-scrambler, and a decoder.
  • the wireless device (100, 200) corresponds to the wireless device (100, 200) of FIG. 43 and may be composed of various elements, components, units, and/or modules.
  • the wireless device (100, 200) may include a communication unit (110), a control unit (120), a memory unit (130), and an additional element (140).
  • the communication unit may include a communication circuit (112) and a transceiver(s) (114).
  • the communication circuit (112) may include one or more processors (102, 202) and/or one or more memories (104, 204) of FIG. 43.
  • the transceiver(s) (114) may include one or more transceivers (106, 206) and/or one or more antennas (108, 208) of FIG. 43.
  • the control unit (120) is electrically connected to the communication unit (110), the memory unit (130), and the additional elements (140) and controls the overall operation of the wireless device.
  • the control unit (120) may control the electrical/mechanical operation of the wireless device based on the program/code/command/information stored in the memory unit (130).
  • the vehicle (100) may include a communication unit (110), a control unit (120), a memory unit (130), an input/output unit (140a), and a position measurement unit (140b).
  • blocks 110 to 130/140a to 140b correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 46, respectively.
  • the communication unit (110) can transmit and receive signals (e.g., data, control signals, etc.) with other vehicles or external devices such as base stations.
  • the control unit (120) can control components of the vehicle (100) to perform various operations.
  • the memory unit (130) can store data/parameters/programs/codes/commands that support various functions of the vehicle (100).
  • the input/output unit (140a) can output AR/VR objects based on information in the memory unit (130).
  • the input/output unit (140a) can include a HUD.
  • the position measurement unit (140b) can obtain position information of the vehicle (100).
  • the position information can include absolute position information of the vehicle (100), position information within a driving line, acceleration information, position information with respect to surrounding vehicles, etc.
  • the position measurement unit (140b) can include GPS and various sensors.
  • the communication unit (110) of the vehicle (100) can receive map information, traffic information, etc. from an external server and store them in the memory unit (130).
  • the location measurement unit (140b) can obtain vehicle location information through GPS and various sensors and store the information in the memory unit (130).
  • the control unit (120) can create a virtual object based on the map information, traffic information, and vehicle location information, and the input/output unit (140a) can display the created virtual object on the vehicle window (1410, 1420).
  • the control unit (120) can determine whether the vehicle (100) is being driven normally within the driving line based on the vehicle location information.
  • control unit (120) can display a warning on the vehicle window through the input/output unit (140a). Additionally, the control unit (120) can broadcast a warning message regarding driving abnormalities to surrounding vehicles through the communication unit (110). Depending on the situation, the control unit (120) can transmit vehicle location information and information regarding driving/vehicle abnormalities to relevant authorities through the communication unit (110).
  • Figure 50 illustrates an XR device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • the XR device may be implemented as an HMD, a head-up display (HUD) installed in a vehicle, a television, a smartphone, a computer, a wearable device, a home appliance, digital signage, a vehicle, a robot, and the like.
  • HMD head-up display
  • FIG. 50 illustrates an XR device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • the XR device may be implemented as an HMD, a head-up display (HUD) installed in a vehicle, a television, a smartphone, a computer, a wearable device, a home appliance, digital signage, a vehicle, a robot, and the like.
  • HUD head-up display
  • the XR device (100a) may include a communication unit (110), a control unit (120), a memory unit (130), an input/output unit (140a), a sensor unit (140b), and a power supply unit (140c).
  • blocks 110 to 130/140a to 140c correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 46, respectively.
  • the communication unit (110) can transmit and receive wired and wireless signals (e.g., sensor information, user input, learning models, control signals, etc.) with external devices such as other AI devices (e.g., FIG. W1, 100x, 200, 400) or AI servers (200) using wired and wireless communication technology.
  • the communication unit (110) can transmit information within the memory unit (130) to the external device or transfer a signal received from the external device to the memory unit (130).
  • the memory unit (130) can store data that supports various functions of the AI device (100).
  • the memory unit (130) can store data obtained from the input unit (140a), data obtained from the communication unit (110), output data of the learning processor unit (140c), and data obtained from the sensing unit (140).
  • the memory unit (130) can store control information and/or software codes necessary for the operation/execution of the control unit (120).
  • the input unit (140a) can obtain various types of data from the outside of the AI device (100).
  • the input unit (120) can obtain learning data for model learning, input data to which the learning model will be applied, etc.
  • the input unit (140a) may include a camera, a microphone, and/or a user input unit.
  • the output unit (140b) may generate output related to sight, hearing, or touch.
  • the output unit (140b) may include a display unit, a speaker, and/or a haptic module, etc.
  • the sensing unit (140) can obtain at least one of internal information of the AI device (100), information about the surrounding environment of the AI device (100), and user information using various sensors.
  • the sensing unit (140) may include a proximity sensor, an illuminance sensor, an acceleration sensor, a magnetic sensor, a gyro sensor, an inertial sensor, an RGB sensor, an IR sensor, a fingerprint recognition sensor, an ultrasonic sensor, a light sensor, a microphone, and/or a radar, etc.
  • the learning processor unit (140c) can train a model composed of an artificial neural network using learning data.
  • the learning processor unit (140c) can perform AI processing together with the learning processor unit of the AI server ( Figure W1, 400).
  • the learning processor unit (140c) can process information received from an external device via the communication unit (110) and/or information stored in the memory unit (130).
  • the output value of the learning processor unit (140c) can be transmitted to an external device via the communication unit (110) and/or stored in the memory unit (130).
  • the claims described in the various embodiments of the present disclosure may be combined in various ways.
  • the technical features of the method claims of the various embodiments of the present disclosure may be combined and implemented as a device, and the technical features of the device claims of the various embodiments of the present disclosure may be combined and implemented as a method.
  • the technical features of the method claims of the various embodiments of the present disclosure may be combined and implemented as a device, and the technical features of the method claims of the various embodiments of the present disclosure may be combined and implemented as a method.

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Abstract

본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서, 제2 노드에게 적어도 하나의 동기 신호(synchronization signal)를 전송하는 단계; 상기 제2 노드에게 제어 신호(control information)를 전송하는 단계; 상기 제2 노드에게 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 전송하는 단계; 상기 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계; 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷을 고전 개인 키(classical private key)로 복호화(decryption) 하여, 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보를 생성하는 단계; 상기 기저 일치 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 제2 노드에게 전송하는 단계; 상기 기저 일치 정보에 기반하여, 상기 제2 노드로부터 상기 QPK의 유효성의 검증 결과를 수신하는 단계; 상기 QPK의 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

Description

양자 통신 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라를 지원하기 위한 방법 및 장치
본 개시(disclosure)는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라(Hybrid Quantum Bit Error Rate Check based Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 개시는 양자의 복제 불가능성(No-cloning Theorem)과 양자 결맞음 시간(Quantum Coherence Time)을 기반으로 물리적인 정보 보안을 달성하는 방법을 제안한다.
Quantum Algorithm에 의한 비대칭키 암호화 시스템의 붕괴는 비대칭키 암호화를 기반으로 하는 보안 통신 시스템에 심각한 위협이 된다. 이러한 보안 위협을 방지하기 위해 PQC (Post Quantum Cryptography) 기술이 대두되고 있으나, 연산 복잡도를 기반한 모든 비대칭키 시스템은 새로운 Quantum Algorithm의 출현에 의해 위협받을 수 있는 문제를 필연적으로 가지고 있다. 또한, 새로운 보안 시스템으로의 전환은 전체 장치에서 새로운 보안 기술이 적용되기 위해 높은 기술적 부담을 가질 수 있다.
따라서, 비대칭키 시스템을 유지하면서, Quantum Algorithm의 위협에 대처할 수 있는 방식이 필요하다. 이를 위해, Public Key를 주기적으로 Update 함으로써 Quantum Algorithm에 의해 Trapdoor가 누설되는 문제를 적응적으로 방지할 수 있다. 이를 통해, Quantum Algorithm에 의해 Plaintext Attack이 이루어지더라도 실시간 누설이 이루어지지 않게 한다. 하지만, 실시간 누설이 이루어지지 않더라도 공격자는 Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL) Attack을 통해, 추후 Plaintext Attack을 수행할 수 있다. 결과적으로 Public Key의 유효시간을 한정하는 방법만으로는 근본적인 정보 보안을 달성할 수 없다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 개시는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라(Hybrid Quantum Bit Error Rate Check based Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 양자의 복제 불가능성(No-cloning Theorem)과 양자 결맞음 시간(Quantum Coherence Time)을 기반으로 물리적인 보안을 제공하는 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라(Hybrid Quantum Bit Error Rate Check based Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서, 제2 노드에게 적어도 하나의 동기 신호(synchronization signal)를 전송하는 단계; 상기 제2 노드에게 제어 신호(control information)를 전송하는 단계; 상기 제2 노드에게 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 전송하는 단계; 상기 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계; 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷을 고전 개인 키(classical private key)로 복호화(decryption) 하여, 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보를 생성하는 단계; 상기 기저 일치 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 제2 노드에게 전송하는 단계; 상기 기저 일치 정보에 기반하여, 상기 제2 노드로부터 상기 QPK의 유효성의 검증 결과를 수신하는 단계; 상기 QPK의 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계 를 포함하는 방법이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제2 노드의 동작 방법에 있어서, 제1 노드로부터 적어도 하나의 동기 신호(synchronization signal)를 수신하는 단계; 상기 제1 노드로부터 제어 신호(control information)를 수신하는 단계; 상기 제1 노드로부터 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 수신하는 단계; 상기 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제1 노드에게 전송하는 단계; 상기 제1 노드로부터 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 수신하는 단계; 상기 QPK의 유효성을 검증하는 단계; 상기 제1 노드에게 상기 QPK의 상기 유효성의 검증 결과를 전송하는 단계; 상기 QPK의 상기 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제1 노드에게 전송하는 단계를 포함하고, 상기 기저 일치 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷에 대한 고전 개인 키 기반 복호화에 의하여 생성되는 방법이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드에 있어서, 송수신기; 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제1 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 제1 노드가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제2 노드에 있어서, 송수신기; 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제2 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 제2 노드가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드를 제어하는 제어 장치에 있어서, 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하며, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제1 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 제어 장치가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제2 노드를 제어하는 제어 장치에 있어서, 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하며, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제2 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 제어 장치가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서, 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제1 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서, 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 제2 노드의 동작 방법의 모든 단계를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 개시는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라(Hybrid Quantum Bit Error Rate Check based Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 양자의 복제 불가능성(No-cloning Theorem)과 양자 결맞음 시간(Quantum Coherence Time)을 기반으로 물리적인 보안을 제공하는 하이브리드 양자 비트 오류율 확인 기반 양자 공개키 인프라(Hybrid Quantum Bit Error Rate Check based Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 개시에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 개시에 대한 실시 예들을 제공할 수 있다. 다만, 본 개시의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미할 수 있다.
도 1은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 일반적인 신호 전송의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 NG-RAN과 5GC 간의 기능적 분할을 도시한 도면이다.
도 4는 5G 사용 시나리오의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 다층 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 심층 신경망 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 컨볼루션 신경망의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 순환 루프가 존재하는 신경망 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 순환 신경망의 동작 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 전자기 스펙트럼의 일례를 도시한 도면이다.
도 14는 THz 통신 응용의 일례를 도시한 도면이다.
도 15는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 17은 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
도 18은 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 도시한 도면이다,
도 19는 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 도시한 도면이다.
도 20은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 중간자 공격의 일례를 도시한 도면이다.
도 21은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 MAC 기반의 인증 기법의 일례를 도시한 도면이다.
도 22은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Wegman & Carter Authentication(WCA)의 일례를 도시한 도면이다.
도 23은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Wegman & Carter Authentication(WCA)에서 충돌 확률의 일례를 도시한 도면이다.
도 24는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 큐비트 복제의 개념(A Concept of Cloning for a Qubit)의 일례를 도시한 도면이다.
도 25는 5G Network 시스템에서 보안 Key들의 일례를 도시한 도면이다.
도 26은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 인증 절차 개시 및 인증 방법 선택 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 27은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 인증 절차 개시 및 인증 방법 선택 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 28은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 SUCI 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 29는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 타원 곡선 통합 암호화 체계 프로필 A에 대한 체계 출력의 일례를 도시한 도면이다.
도 30은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 타원 곡선 통합 암호화 체계 프로필 B에 대한 체계 출력의 일례를 도시한 도면이다.
도 31a은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Qubit Rotation에 의한 변조의 일례를 도시한 도면이다.
도 31b은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Pauli 연산자의 일례를 도시한 도면이다.
도 32은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 33은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check를 위한 정보 전송의 일례를 도시한 도면이다.
도 34은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Qubit Rotation에 의한 변조의 일례를 도시한 도면이다.
도 35은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 36은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Control Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 37은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 38은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI)에서 Single Qubit based QPK로 수행되는 양자채널 및 고전 채널 신호의 동작의 일례를 도시한 도면이다.
도 39은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI)의 전체 과정에 대한 흐름도를 도시한 도면이다.
도 40은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제1 노드의 동작 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 41은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제2 노드의 동작 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 42는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 43은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 44은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 45은 전송 신호를 위한 신호 처리 회로를 예시한다.
도 46는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다.
도 47은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 휴대 기기를 예시한다.
도 48은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량 또는 자율 주행 차량을 예시한다.
도 49는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량을 예시한다.
도 50은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 XR 기기를 예시한다.
도 51는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 로봇을 예시한다.
도 52는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 AI 기기를 예시한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A 또는 B(A or B)"는 "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A 또는 B(A or B)"는 "A 및/또는 B(A and/or B)"으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A, B 또는 C(A, B or C)"는 "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 "및/또는(and/or)"을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A/B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 이에 따라 "A/B"는 "오직 A", "오직 B", 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B, C"는 "A, B 또는 C"를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"는, "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)"나 "적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)"라는 표현은 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"는, "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다. 또한, "적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)"나 "적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)"는 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 사용되는 괄호는 "예를 들어(for example)"를 의미할 수 있다. 구체적으로, "제어 정보(PDCCH)"로 표시된 경우, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다. 달리 표현하면 본 개시의 다양한 실시 예들의 "제어 정보"는 "PDCCH"로 제한(limit)되지 않고, "PDDCH"가 "제어 정보"의 일례로 제안될 것일 수 있다. 또한, "제어 정보(즉, PDCCH)"로 표시된 경우에도, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 하나의 도면 내에서 개별적으로 설명되는 기술적 특징은, 개별적으로 구현될 수도 있고, 동시에 구현될 수도 있다.
이하의 기술은 CDMA, FDMA, TDMA, OFDMA, SC-FDMA 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution)은 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부이고 LTE-A(Advanced)/LTE-A pro는 3GPP LTE의 진화된 버전이다. 3GPP NR(New Radio or New Radio Access Technology)는 3GPP LTE/LTE-A/LTE-A pro의 진화된 버전이다. 3GPP 6G는 3GPP NR의 진화된 버전일 수 있다.
설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP 통신 시스템(예, LTE, NR 등)을 기반으로 설명하지만 본 개시의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. LTE는 3GPP TS 36.xxx Release 8 이후의 기술을 의미한다. 세부적으로, 3GPP TS 36.xxx Release 10 이후의 LTE 기술은 LTE-A로 지칭되고, 3GPP TS 36.xxx Release 13 이후의 LTE 기술은 LTE-A pro로 지칭된다. 3GPP NR은 TS 38.xxx Release 15 이후의 기술을 의미한다. 3GPP 6G는 TS Release 17 및/또는 Release 18 이후의 기술을 의미할 수 있다. "xxx"는 표준 문서 세부 번호를 의미한다. LTE/NR/6G는 3GPP 시스템으로 통칭될 수 있다. 본 개시의 설명에 사용된 배경기술, 용어, 약어 등에 관해서는 본 개시 이전에 공개된 표준 문서에 기재된 사항을 참조할 수 있다. 예를 들어, 다음 문서를 참조할 수 있다.
3GPP LTE
- 36.211: Physical channels and modulation
- 36.212: Multiplexing and channel coding
- 36.213: Physical layer procedures
- 36.300: Overall description
- 36.331: Radio Resource Control (RRC)
3GPP NR
- 38.211: Physical channels and modulation
- 38.212: Multiplexing and channel coding
- 38.213: Physical layer procedures for control
- 38.214: Physical layer procedures for data
- 38.300: NR and NG-RAN Overall Description
- 38.331: Radio Resource Control (RRC) protocol specification
물리 채널 및 프레임 구조
물리 채널 및 일반적인 신호 전송
도 1은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 일반적인 신호 전송의 일례를 도시한 도면이다.
무선 통신 시스템에서 단말은 기지국으로부터 하향링크(Downlink, DL)를 통해 정보를 수신하고, 단말은 기지국으로 상향링크(Uplink, UL)를 통해 정보를 전송한다. 기지국과 단말이 송수신하는 정보는 데이터 및 다양한 제어 정보를 포함하고, 이들이 송수신 하는 정보의 종류/용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
단말은 전원이 켜지거나 새로이 셀에 진입한 경우 기지국과 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색(Initial cell search) 작업을 수행한다(S11). 이를 위해, 단말은 기지국으로부터 주 동기 신호(Primary Synchronization Signal, PSS) 및 부 동기 신호(Secondary Synchronization Signal, SSS)을 수신하여 기지국과 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득할 수 있다. 그 후, 단말은 기지국으로부터 물리 방송 채널(Physical Broadcast Channel, PBCH)를 수신하여 셀 내 방송 정보를 획득할 수 있다. 한편, 단말은 초기 셀 탐색 단계에서 하향링크 참조 신호(Downlink Reference Signal, DL RS)를 수신하여 하향링크 채널 상태를 확인할 수 있다.
초기 셀 탐색을 마친 단말은 물리 하향링크 제어 채널(Physical Downlink Control Channel, PDCCH) 및 상기 PDCCH에 실린 정보에 따라 물리 하향링크 공유 채널(Physical Downlink Control Channel; PDSCH)을 수신함으로써 좀더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다(S12).
한편, 기지국에 최초로 접속하거나 신호 송신을 위한 무선 자원이 없는 경우, 단말은 기지국에 대해 임의 접속 과정(Random Access Procedure, RACH)을 수행할 수 있다(S13 내지 S16). 이를 위해, 단말은 물리 임의 접속 채널(Physical Random Access Channel, PRACH)을 통해 특정 시퀀스를 프리앰블로 송신하고(S13 및 S15), PDCCH 및 대응하는 PDSCH를 통해 프리앰블에 대한 응답 메시지((RAR(Random Access Response) message)를 수신할 수 있다. 경쟁 기반 RACH의 경우, 추가적으로 충돌 해결 절차(Contention Resolution Procedure)를 수행할 수 있다(S16).
상술한 바와 같은 절차를 수행한 단말은 이후 일반적인 상/하향링크 신호 송신 절차로서 PDCCH/PDSCH 수신(S17) 및 물리 상향링크 공유 채널(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH)/물리 상향링크 제어 채널(Physical Uplink Control Channel; PUCCH) 송신(S18)을 수행할 수 있다. 특히 단말은 PDCCH를 통하여 하향링크 제어 정보(Downlink Control Information, DCI)를 수신할 수 있다. 여기서, DCI는 단말에 대한 자원 할당 정보와 같은 제어 정보를 포함하며, 사용 목적에 따라 포맷이 서로 다르게 적용될 수 있다.
한편, 단말이 상향링크를 통해 기지국에 송신하는 또는 단말이 기지국으로부터 수신하는 제어 정보는 하향링크/상향링크 ACK/NACK 신호, CQI(Channel Quality Indicator), PMI(Precoding Matrix 인덱스), RI(Rank Indicator) 등을 포함할 수 있다. 단말은 상술한 CQI/PMI/RI 등의 제어 정보를 PUSCH 및/또는 PUCCH를 통해 송신할 수 있다.
상향링크 및 하향링크 채널의 구조
하향링크 채널 구조
기지국은 후술하는 하향링크 채널을 통해 관련 신호를 단말에게 전송하고, 단말은 후술하는 하향링크 채널을 통해 관련 신호를 기지국으로부터 수신한다.
(1) 물리 하향링크 공유 채널(PDSCH)
PDSCH는 하향링크 데이터(예, DL-shared channel transport block, DL-SCH TB)를 운반하고, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64 QAM, 256 QAM 등의 변조 방법이 적용된다. TB를 인코딩하여 코드워드(codeword)가 생성된다. PDSCH는 다수의 코드워드들을 나를 수 있다. 코드워드(codeword) 별로 스크램블링(scrambling) 및 변조 매핑(modulation mapping)이 수행되고, 각 코드워드로부터 생성된 변조 심볼들은 하나 이상의 레이어로 매핑된다(Layer mapping). 각 레이어는 DMRS(Demodulation Reference Signal)과 함께 자원에 매핑되어 OFDM 심볼 신호로 생성되고, 해당 안테나 포트를 통해 전송된다.
(2) 물리 하향링크 제어 채널(PDCCH)
PDCCH는 하향링크 제어 정보(DCI)를 운반하고 QPSK 변조 방법 등이 적용된다. 하나의 PDCCH는 AL(Aggregation Level)에 따라 1, 2, 4, 8, 16 개 등의 CCE(Control Channel Element)로 구성된다. 하나의 CCE는 6개의 REG(Resource Element Group)로 구성된다. 하나의 REG는 하나의 OFDM 심볼과 하나의 (P)RB로 정의된다.
단말은 PDCCH 후보들의 세트에 대한 디코딩(일명, 블라인드 디코딩)을 수행하여 PDCCH를 통해 전송되는 DCI를 획득한다. 단말이 디코딩하는 PDCCH 후보들의 세트는 PDCCH 검색 공간(Search Space) 세트라 정의한다. 검색 공간 세트는 공통 검색 공간 (common search space) 또는 단말-특정 검색 공간 (UE-specific search space)일 수 있다. 단말은 MIB 또는 상위 계층 시그널링에 의해 설정된 하나 이상의 검색 공간 세트 내 PDCCH 후보를 모니터링하여 DCI를 획득할 수 있다.
상향링크 채널 구조
단말은 후술하는 상향링크 채널을 통해 관련 신호를 기지국으로 전송하고, 기지국은 후술하는 상향링크 채널을 통해 관련 신호를 단말로부터 수신한다.
(1) 물리 상향링크 공유 채널(PUSCH)
PUSCH는 상향링크 데이터(예, UL-shared channel transport block, UL-SCH TB) 및/또는 상향링크 제어 정보(UCI)를 운반하고, CP-OFDM (Cyclic Prefix - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 파형(waveform), DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform - spread - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 파형 등에 기초하여 전송된다. PUSCH가 DFT-s-OFDM 파형에 기초하여 전송되는 경우, 단말은 변환 프리코딩(transform precoding)을 적용하여 PUSCH를 전송한다. 일 예로, 변환 프리코딩이 불가능한 경우(예, transform precoding is disabled) 단말은 CP-OFDM 파형에 기초하여 PUSCH를 전송하고, 변환 프리코딩이 가능한 경우(예, transform precoding is enabled) 단말은 CP-OFDM 파형 또는 DFT-s-OFDM 파형에 기초하여 PUSCH를 전송할 수 있다. PUSCH 전송은 DCI 내 UL 그랜트에 의해 동적으로 스케줄링 되거나, 상위 계층(예, RRC) 시그널링 (및/또는 Layer 1(L1) 시그널링(예, PDCCH))에 기초하여 반-정적(semi-static)으로 스케줄링 될 수 있다(configured grant). PUSCH 전송은 코드북 기반 또는 비-코드북 기반으로 수행될 수 있다.
(2) 물리 상향링크 제어 채널(PUCCH)
PUCCH는 상향링크 제어 정보, HARQ-ACK 및/또는 스케줄링 요청(SR)을 운반하고, PUCCH 전송 길이에 따라 다수의 PUCCH들로 구분될 수 있다.
이하, 새로운 무선 접속 기술(new radio access technology: new RAT, NR)에 대해 설명한다.
더욱 많은 통신 기기들이 더욱 큰 통신 용량을 요구하게 됨에 따라 기존의 무선 접속 기술(radio access technology; RAT)에 비해 향상된 모바일 브로드밴드(mobile broadband) 통신에 대한 필요성이 대두되고 있다. 또한 다수의 기기 및 사물들을 연결하여 언제 어디서나 다양한 서비스를 제공하는 매시브 MTC (massive Machine Type Communications) 역시 차세대 통신에서 고려될 주요 이슈 중 하나이다. 뿐만 아니라 신뢰도(reliability) 및 지연(latency)에 민감한 서비스/단말을 고려한 통신 시스템 디자인이 논의되고 있다. 이와 같이 확장된 모바일 브로드밴드 커뮤니케이션(enhanced mobile broadband communication), massive MTC, URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication) 등을 고려한 차세대 무선 접속 기술의 도입이 논의되고 있으며, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 편의상 해당 기술(technology)을 new RAT 또는 NR이라고 부른다.
도 2는 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, NG-RAN은, 단말에게 사용자 평면 및 제어 평면 프로토콜 종단(termination)을 제공하는 gNB 및/또는 eNB를 포함할 수 있다. 도 1에서는 gNB만을 포함하는 경우를 예시한다. gNB 및 eNB는 상호 간에 Xn 인터페이스로 연결되어 있다. gNB 및 eNB는 5세대 코어 네트워크(5G Core Network: 5GC)와 NG 인터페이스를 통해 연결되어 있다. 보다 구체적으로, AMF(access and mobility management function)과는 NG-C 인터페이스를 통해 연결되고, UPF(user plane function)과는 NG-U 인터페이스를 통해 연결된다.
도 3은 NG-RAN과 5GC 간의 기능적 분할을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, gNB는 인터 셀 간의 무선 자원 관리(Inter Cell RRM), 무선 베어러 관리(RB control), 연결 이동성 제어(Connection Mobility Control), 무선 허용 제어(Radio Admission Control), 측정 설정 및 제공(Measurement configuration & Provision), 동적 자원 할당(dynamic resource allocation) 등의 기능을 제공할 수 있다. AMF는 NAS 보안, 아이들 상태 이동성 처리 등의 기능을 제공할 수 있다. UPF는 이동성 앵커링(Mobility Anchoring), PDU 처리 등의 기능을 제공할 수 있다. SMF(Session Management Function)는 단말 IP 주소 할당, PDU 세션 제어 등의 기능을 제공할 수 있다.
도 4는 5G 사용 시나리오의 예를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 5G 사용 시나리오는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 다양한 실시 예들의 기술적 특징은 도 4에 도시되지 않은 다른 5G 사용 시나리오에도 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 5G의 세 가지 주요 요구 사항 영역은 (1) 개선된 모바일 광대역(eMBB; enhanced mobile broadband) 영역, (2) 다량의 머신 타입 통신(mMTC; massive machine type communication) 영역 및 (3) 초-신뢰 및 저 지연 통신(URLLC; ultra-reliable and low latency communications) 영역을 포함한다. 일부 사용 예는 최적화를 위해 다수의 영역을 요구할 수 있고, 다른 사용 예는 단지 하나의 핵심 성능 지표(KPI; key performance indicator)에만 포커싱 할 수 있다. 5G는 이러한 다양한 사용 예들을 유연하고 신뢰할 수 있는 방법으로 지원하는 것이다.
eMBB는 데이터 속도, 지연, 사용자 밀도, 모바일 광대역 접속의 용량 및 커버리지의 전반적인 향상에 중점을 둔다. eMBB는 10Gbps 정도의 처리량을 목표로 한다. eMBB는 기본적인 모바일 인터넷 접속을 훨씬 능가하게 하며, 풍부한 양방향 작업, 클라우드 또는 증강 현실에서 미디어 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 커버한다. 데이터는 5G의 핵심 동력 중 하나이며, 5G 시대에서 처음으로 전용 음성 서비스를 볼 수 없을 수 있다. 5G에서, 음성은 단순히 통신 시스템에 의해 제공되는 데이터 연결을 사용하여 응용 프로그램으로서 처리될 것으로 기대된다. 증가된 트래픽 양의 주요 원인은 콘텐츠 크기의 증가 및 높은 데이터 전송률을 요구하는 애플리케이션 수의 증가이다. 스트리밍 서비스(오디오 및 비디오), 대화형 비디오 및 모바일 인터넷 연결은 더 많은 장치가 인터넷에 연결될수록 더 널리 사용될 것이다. 이러한 많은 애플리케이션은 사용자에게 실시간 정보 및 알림을 푸쉬하기 위해 항상 켜져 있는 연결성을 필요로 한다. 클라우드 스토리지 및 애플리케이션은 모바일 통신 플랫폼에서 급속히 증가하고 있으며, 이것은 업무 및 엔터테인먼트 모두에 적용될 수 있다. 클라우드 스토리지는 상향링크 데이터 전송률의 성장을 견인하는 특별한 사용 예이다. 5G는 또한 클라우드 상의 원격 업무에도 사용되며, 촉각 인터페이스가 사용될 때 우수한 사용자 경험을 유지하도록 훨씬 더 낮은 단-대-단(end-to-end) 지연을 요구한다. 엔터테인먼트에서 예를 들면, 클라우드 게임 및 비디오 스트리밍은 모바일 광대역 능력에 대한 요구를 증가시키는 또 다른 핵심 요소이다. 엔터테인먼트는 기차, 차 및 비행기와 같은 높은 이동성 환경을 포함하여 어떤 곳에서든지 스마트폰 및 태블릿에서 필수적이다. 또 다른 사용 예는 엔터테인먼트를 위한 증강 현실 및 정보 검색이다. 여기서, 증강 현실은 매우 낮은 지연과 순간적인 데이터 양을 필요로 한다.
mMTC는 배터리에 의해 구동되는 다량의 저비용 장치 간의 통신을 가능하게 하기 위하여 설계되며, 스마트 계량, 물류, 현장 및 신체 센서와 같은 애플리케이션을 지원하기 위한 것이다. mMTC는 10년 정도의 배터리 및/또는 1km2 당 백만 개 정도의 장치를 목표로 한다. mMTC는 모든 분야에서 임베디드 센서를 원활하게 연결할 수 있게 하며, 가장 많이 예상되는 5G 사용 예 중 하나이다. 잠재적으로 2020년까지 IoT 장치들은 204억 개에 이를 것으로 예측된다. 산업 IoT는 5G가 스마트 도시, 자산 추적(asset tracking), 스마트 유틸리티, 농업 및 보안 인프라를 가능하게 하는 주요 역할을 수행하는 영역 중 하나이다.
URLLC는 장치 및 기계가 매우 신뢰성 있고 매우 낮은 지연 및 높은 가용성으로 통신할 수 있도록 함으로써 차량 통신, 산업 제어, 공장 자동화, 원격 수술, 스마트 그리드 및 공공 안전 애플리케이션에 이상적이다. URLLC는 1ms의 정도의 지연을 목표로 한다. URLLC는 주요 인프라의 원격 제어 및 자율 주행 차량과 같은 초 신뢰/지연이 적은 링크를 통해 산업을 변화시킬 새로운 서비스를 포함한다. 신뢰성과 지연의 수준은 스마트 그리드 제어, 산업 자동화, 로봇 공학, 드론 제어 및 조정에 필수적이다.
다음으로, 도 4의 삼각형 안에 포함된 다수의 사용 예에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
5G는 초당 수백 메가 비트에서 초당 기가 비트로 평가되는 스트림을 제공하는 수단으로 FTTH(fiber-to-the-home) 및 케이블 기반 광대역(또는 DOCSIS)을 보완할 수 있다. 이러한 빠른 속도는 가상 현실(VR; virtual reality)과 증강 현실(AR; augmented reality) 뿐 아니라 4K 이상(6K, 8K 및 그 이상)의 해상도로 TV를 전달하는 데에 요구될 수 있다. VR 및 AR 애플리케이션은 거의 몰입형(immersive) 스포츠 경기를 포함한다. 특정 애플리케이션은 특별한 네트워크 설정이 요구될 수 있다. 예를 들어, VR 게임의 경우, 게임 회사가 지연을 최소화하기 위해 코어 서버를 네트워크 오퍼레이터의 에지 네트워크 서버와 통합해야 할 수 있다.
자동차(Automotive)는 차량에 대한 이동 통신을 위한 많은 사용 예와 함께 5G에 있어 중요한 새로운 동력이 될 것으로 예상된다. 예를 들어, 승객을 위한 엔터테인먼트는 높은 용량과 높은 모바일 광대역을 동시에 요구한다. 그 이유는 미래의 사용자는 그들의 위치 및 속도와 관계 없이 고품질의 연결을 계속해서 기대하기 때문이다. 자동차 분야의 다른 사용 예는 증강 현실 대시보드이다. 운전자는 증강 현실 대비보드를 통해 앞면 창을 통해 보고 있는 것 위에 어둠 속에서 물체를 식별할 수 있다. 증강 현실 대시보드는 물체의 거리와 움직임에 대해 운전자에게 알려줄 정보를 겹쳐서 디스플레이 한다. 미래에, 무선 모듈은 차량 간의 통신, 차량과 지원하는 인프라구조 사이에서 정보 교환 및 자동차와 다른 연결된 장치(예를 들어, 보행자에 의해 수반되는 장치) 사이에서 정보 교환을 가능하게 한다. 안전 시스템은 운전자가 보다 안전한 운전을 할 수 있도록 행동의 대체 코스를 안내하여 사고의 위험을 낮출 수 있게 한다. 다음 단계는 원격 조종 차량 또는 자율 주행 차량이 될 것이다. 이는 서로 다른 자율 주행 차량 사이 및/또는 자동차와 인프라 사이에서 매우 신뢰성이 있고 매우 빠른 통신을 요구한다. 미래에, 자율 주행 차량이 모든 운전 활동을 수행하고, 운전자는 차량 자체가 식별할 수 없는 교통 이상에만 집중하도록 할 것이다. 자율 주행 차량의 기술적 요구 사항은 트래픽 안전을 사람이 달성할 수 없을 정도의 수준까지 증가하도록 초 저 지연과 초고속 신뢰성을 요구한다.
스마트 사회로서 언급되는 스마트 도시와 스마트 홈은 고밀도 무선 센서 네트워크로 임베디드 될 것이다. 지능형 센서의 분산 네트워크는 도시 또는 집의 비용 및 에너지 효율적인 유지에 대한 조건을 식별할 것이다. 유사한 설정이 각 가정을 위해 수행될 수 있다. 온도 센서, 창 및 난방 컨트롤러, 도난 경보기 및 가전 제품은 모두 무선으로 연결된다. 이러한 센서 중 많은 것들이 전형적으로 낮은 데이터 전송 속도, 저전력 및 저비용을 요구한다. 하지만, 예를 들어, 실시간 HD 비디오는 감시를 위해 특정 타입의 장치에서 요구될 수 있다.
열 또는 가스를 포함한 에너지의 소비 및 분배는 고도로 분산화되고 있어, 분산 센서 네트워크의 자동화된 제어가 요구된다. 스마트 그리드는 정보를 수집하고 이에 따라 행동하도록 디지털 정보 및 통신 기술을 사용하여 이런 센서를 상호 연결한다. 이 정보는 공급 업체와 소비자의 행동을 포함할 수 있으므로, 스마트 그리드가 효율성, 신뢰성, 경제성, 생산의 지속 가능성 및 자동화된 방식으로 전기와 같은 연료의 분배를 개선하도록 할 수 있다. 스마트 그리드는 지연이 적은 다른 센서 네트워크로 볼 수도 있다.
건강 부문은 이동 통신의 혜택을 누릴 수 있는 많은 애플리케이션을 보유하고 있다. 통신 시스템은 멀리 떨어진 곳에서 임상 진료를 제공하는 원격 진료를 지원할 수 있다. 이는 거리에 대한 장벽을 줄이는 데에 도움을 주고, 거리가 먼 농촌에서 지속적으로 이용하지 못하는 의료 서비스로의 접근을 개선시킬 수 있다. 이는 또한 중요한 진료 및 응급 상황에서 생명을 구하기 위해 사용된다. 이동 통신 기반의 무선 센서 네트워크는 심박수 및 혈압과 같은 파라미터에 대한 원격 모니터링 및 센서를 제공할 수 있다.
무선 및 모바일 통신은 산업 응용 분야에서 점차 중요해지고 있다. 배선은 설치 및 유지 비용이 높다. 따라서, 케이블을 재구성할 수 있는 무선 링크로의 교체 가능성은 많은 산업 분야에서 매력적인 기회이다. 그러나, 이를 달성하는 것은 무선 연결이 케이블과 비슷한 지연, 신뢰성 및 용량으로 동작하는 것과, 그 관리가 단순화될 것을 요구한다. 낮은 지연과 매우 낮은 오류 확률은 5G로 연결될 필요가 있는 새로운 요구 사항이다.
물류 및 화물 추적은 위치 기반 정보 시스템을 사용하여 어디에서든지 인벤토리(inventory) 및 패키지의 추적을 가능하게 하는 이동 통신에 대한 중요한 사용 예이다. 물류 및 화물 추적의 사용 예는 전형적으로 낮은 데이터 속도를 요구하지만 넓은 범위와 신뢰성 있는 위치 정보가 필요할 수 있다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 예들의 실시예에 적용될 수 있는 차세대 통신(예컨대, 6G)의 예시들에 대해 설명하도록 한다.
6G 시스템 일반
6G (무선통신) 시스템은 (i) 디바이스 당 매우 높은 데이터 속도, (ii) 매우 많은 수의 연결된 디바이스들, (iii) 글로벌 연결성(global connectivity), (iv) 매우 낮은 지연, (v) 배터리-프리(battery-free) IoT 디바이스들의 에너지 소비를 낮추고, (vi) 초고신뢰성 연결, (vii) 머신 러닝 능력을 가지는 연결된 지능 등에 목적이 있다. 6G 시스템의 비젼은 intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, ubiquitous connectivity와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 아래 표 1과 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 1은 6G 시스템의 요구 사항의 일례를 나타낸 표이다.
Per device peak data rate 1Tbps
E2E latency 1ms
Maximum spectral efficiency 100bps/Hz
Mobility support Up to 1000km/hr
Satellite integration Fully
AI Fully
Autonomous vehicle Fully
XR Fully
Haptic Communication Fully
6G 시스템은 Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and access network congestion, Enhanced data security와 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 5는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 key feature인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것이다. 6G 시스템은 자주 사용되는 영역 스펙트럼 효율과 달리 체적 스펙트럼 효율이 훨씬 우수할 것이다. 6G 시스템은 매우 긴 배터리 수명과 에너지 수확을 위한 고급 배터리 기술을 제공할 수 있어, 6G 시스템에서 모바일 디바이스들은 별도로 충전될 필요가 없을 것이다. 6G에서 새로운 네트워크 특성들은 다음과 같을 수 있다.
- 위성 통합 네트워크(Satellites integrated network): 글로벌 모바일 집단을 제공하기 위해 6G는 위성과 통합될 것으로 예상된다. 지상파, 위성 및 공중 네트워크를 하나의 무선통신 시스템으로 통합은 6G에 매우 중요하다.
- 연결된 인텔리전스(Connected intelligence): 이전 세대의 무선 통신 시스템과 달리 6G는 혁신적이며, "연결된 사물"에서 "연결된 지능"으로 무선 진화가 업데이트될 것이다. AI는 통신 절차의 각 단계(또는 후술할 신호 처리의 각 절차)에서 적용될 수 있다.
- 무선 정보 및 에너지 전달의 완벽한 통합(Seamless integration wireless information and energy transfer): 6G 무선 네트워크는 스마트폰들과 센서들과 같이 디바이스들의 배터리를 충전하기 위해 전력을 전달할 것이다. 그러므로, 무선 정보 및 에너지 전송 (WIET)은 통합될 것이다.
- 유비쿼터스 슈퍼 3D 연결(Ubiquitous super 3D connectivity): 드론 및 매우 낮은 지구 궤도 위성의 네트워크 및 핵심 네트워크 기능에 접속은 6G 유비쿼터스에서 슈퍼 3D 연결을 만들 것이다.
위와 같은 6G의 새로운 네트워크 특성들에서 몇 가지 일반적인 요구 사항은 다음과 같을 수 있다.
- 스몰 셀 네트워크(small cell networks): 스몰 셀 네트워크의 아이디어는 셀룰러 시스템에서 처리량, 에너지 효율 및 스펙트럼 효율 향상의 결과로 수신 신호 품질을 향상시키기 위해 도입되었다. 결과적으로, 스몰 셀 네트워크는 5G 및 비욘드 5G (5GB) 이상의 통신 시스템에 필수적인 특성이다. 따라서, 6G 통신 시스템 역시 스몰 셀 네트워크의 특성을 채택한다.
- 초 고밀도 이기종 네트워크(Ultra-dense heterogeneous network): 초 고밀도 이기종 네트워크들은 6G 통신 시스템의 또 다른 중요한 특성이 될 것이다. 이기종 네트워크로 구성된 멀티-티어 네트워크는 전체 QoS를 개선하고 비용을 줄인다.
- 대용량 백홀(High-capacity backhaul): 백홀 연결은 대용량 트래픽을 지원하기 위해 대용량 백홀 네트워크로 특징 지어진다. 고속 광섬유 및 자유 공간 광학 (FSO) 시스템이 이 문제에 대한 가능한 솔루션일 수 있다.
- 모바일 기술과 통합된 레이더 기술: 통신을 통한 고정밀 지역화(또는 위치 기반 서비스)는 6G 무선통신 시스템의 기능 중 하나이다. 따라서, 레이더 시스템은 6G 네트워크와 통합될 것이다.
- 소프트화 및 가상화(Softwarization and virtualization): 소프트화 및 가상화는 유연성, 재구성성 및 프로그래밍 가능성을 보장하기 위해 5GB 네트워크에서 설계 프로세스의 기초가 되는 두 가지 중요한 기능이다. 또한, 공유 물리적 인프라에서 수십억 개의 장치가 공유될 수 있다.
6G 시스템의 핵심 구현 기술
인공 지능(Artificial Intelligence)
6G 시스템에 가장 중요하며, 새로 도입될 기술은 AI이다. 4G 시스템에는 AI가 관여하지 않았다. 5G 시스템은 부분 또는 매우 제한된 AI를 지원할 것이다. 그러나, 6G 시스템은 완전히 자동화를 위해 AI가 지원될 것이다. 머신 러닝의 발전은 6G에서 실시간 통신을 위해 보다 지능적인 네트워크를 만들 것이다. 통신에 AI를 도입하면 실시간 데이터 전송이 간소화되고 향상될 수 있다. AI는 수많은 분석을 사용하여 복잡한 대상 작업이 수행되는 방식을 결정할 수 있다. 즉, AI는 효율성을 높이고 처리 지연을 줄일 수 있다.
핸드 오버, 네트워크 선택, 자원 스케쥴링과 같은 시간 소모적인 작업은 AI를 사용함으로써 즉시 수행될 수 있다. AI는 M2M, 기계-대-인간 및 인간-대-기계 통신에서도 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, AI는 BCI(Brain Computer Interface)에서 신속한 통신이 될 수 있다. AI 기반 통신 시스템은 메타 물질, 지능형 구조, 지능형 네트워크, 지능형 장치, 지능형 인지 라디오(radio), 자체 유지 무선 네트워크 및 머신 러닝에 의해 지원될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
머신 러닝은 채널 추정 및 채널 트래킹을 위해 사용될 수 있으며, DL(downlink)의 물리 계층(physical layer)에서 전력 할당(power allocation), 간섭 제거 (interference cancellation) 등에 사용될 수 있다. 또한, 머신 러닝은 MIMO 시스템에서 안테나 선택, 전력 제어(power control), 심볼 검출(symbol detection) 등에도 사용될 수 있다.
그러나 물리계층에서의 전송을 위한 DNN의 적용은 아래와 같은 문제점이 있을 수 있다.
딥러닝 기반의 AI 알고리즘은 훈련 파라미터를 최적화하기 위해 수많은 훈련 데이터가 필요하다. 그러나 특정 채널 환경에서의 데이터를 훈련 데이터로 획득하는데 있어서의 한계로 인해, 오프라인 상에서 많은 훈련 데이터를 사용한다. 이는 특정 채널 환경에서 훈련 데이터에 대한 정적 훈련(static training)은, 무선 채널의 동적 특성 및 다이버시티(diversity) 사이에 모순(contradiction)이 생길 수 있다.
또한, 현재 딥러닝은 주로 실제 신호(real signal)를 대상으로 한다. 그러나, 무선 통신의 물리 계층의 신호들은 복소 신호(complex signal)이다. 무선 통신 신호의 특성을 매칭시키기 위해 복소 도메인 신호의 검출하는 신경망(neural network)에 대한 연구가 더 필요하다.
이하, 머신 러닝에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
머신 러닝은 사람이 할 수 있거나 혹은 하기 어려운 작업을 대신해낼 수 있는 기계를 만들어내기 위해 기계를 학습시키는 일련의 동작을 의미한다. 머신 러닝을 위해서는 데이터와 러닝 모델이 필요하다. 머신 러닝에서 데이터의 학습 방법은 크게 3가지 즉, 지도 학습(supervised learning), 비지도 학습(unsupervised learning) 그리고 강화 학습(reinforcement learning)으로 구분될 수 있다.
신경망 학습은 출력의 오류를 최소화하기 위한 것이다. 신경망 학습은 반복적으로 학습 데이터를 신경망에 입력시키고 학습 데이터에 대한 신경망의 출력과 타겟의 에러를 계산하고, 에러를 줄이기 위한 방향으로 신경망의 에러를 신경망의 출력 레이어에서부터 입력 레이어 방향으로 역전파(backpropagation) 하여 신경망의 각 노드의 가중치를 업데이트하는 과정이다.
지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링된 학습 데이터를 사용하며 비지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링되어 있지 않을 수 있다. 즉, 예를 들어 데이터 분류에 관한 지도 학습의 경우의 학습 데이터는 학습 데이터 각각에 카테고리가 라벨링된 데이터 일 수 있다. 라벨링된 학습 데이터가 신경망에 입력되고 신경망의 출력(카테고리)과 학습 데이터의 라벨을 비교하여 오차(error)가 계산될 수 있다. 계산된 오차는 신경망에서 역방향(즉, 출력 레이어에서 입력 레이어 방향)으로 역전파 되며, 역전파에 따라 신경망의 각 레이어의 각 노드들의 연결 가중치가 업데이트 될 수 있다. 업데이트 되는 각 노드의 연결 가중치는 학습률(learing rate)에 따라 변화량이 결정될 수 있다. 입력 데이터에 대한 신경망의 계산과 에러의 역전파는 학습 사이클(epoch)을 구성할 수 있다. 학습률은 신경망의 학습 사이클의 반복 횟수에 따라 상이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 신경망의 학습 초기에는 높은 학습률을 사용하여 신경망이 빠르게 일정 수준의 성능을 확보하도록 하여 효율성을 높이고, 학습 후기에는 낮은 학습률을 사용하여 정확도를 높일 수 있다
데이터의 특징에 따라 학습 방법은 달라질 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템 상에서 송신단에서 전송한 데이터를 수신단에서 정확하게 예측하는 것을 목적으로 하는 경우, 비지도 학습 또는 강화 학습 보다는 지도 학습을 이용하여 학습을 수행하는 것이 바람직하다.
러닝 모델은 인간의 뇌에 해당하는 것으로서, 가장 기본적인 선형 모델을 생각할 수 있으나, 인공 신경망(artificial neural networks)와 같은 복잡성이 높은 신경망 구조를 러닝 모델로 사용하는 머신 러닝의 패러다임을 딥러닝(deep learning)이라 한다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어(neural network cord)는 크게 심층 신경망(DNN, deep neural networks), 합성곱 신경망(CNN, convolutional deep neural networks), 순환 신경망(RNN, Recurrent Boltzmann Machine) 방식이 있다.
인공 신경망(artificial neural network)은 여러 개의 퍼셉트론을 연결한 예시이다.
도 6는 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6를 참조하면, 입력 벡터 x=(x1,x2,...,xd) 가 입력되면 각 성분에 가중치(W1,W2,...,Wd)를 곱하고, 그 결과를 모두 합산한 후, 활성함수 σ(·) 를 적용하는 전체 과정을 퍼셉트론(perceptron)이라 한다. 거대한 인공 신경망 구조는 도 6에 도시한 단순화된 퍼셉트론 구조를 확장하여 입력벡터를 서로 다른 다 차원의 퍼셉트론에 적용할 수도 있다. 설명의 편의를 위해 입력값 또는 출력값을 노드(node)라 칭한다.
한편, 도 6에 도시된 퍼셉트론 구조는 입력값, 출력값을 기준으로 총 3개의 층(layer)로 구성되는 것으로 설명할 수 있다. 1st layer와 2nd layer 사이에는 (d+1) 차원의 퍼셉트론 H개, 2nd layer와 3rd layer 사이에는 (H+1)차원 퍼셉트론이 K 개 존재하는 인공신경망을 도 7과 같이 표현할 수 있다.
도 7은 다층 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
입력벡터가 위치하는 층을 입력층(input layer), 최종 출력값이 위치하는 층을 출력층(output layer), 입력층과 출력층 사이에 위치하는 모든 층을 은닉층(hidden layer)라 한다. 도 7의 예시는 3개의 층이 개시되나, 실제 인공신경망 층의 개수를 카운트할 때는 입력층을 제외하고 카운트하므로 총 2개의 층으로 볼 수 있다. 인공신경망은 기본 블록의 퍼셉트론을 2차원적으로 연결되어 구성된다.
전술한 입력층, 은닉층, 출력층은 다층 퍼셉트론 뿐 아니라 후술할 CNN, RNN 등 다양한 인공신경망 구조에서 공동적으로 적용될 수 있다. 은닉층의 개수가 많아질수록 인공신경망이 깊어진 것이며, 충분히 깊어진 인공신경망을 러닝모델로 사용하는 머신러닝 패러다임을 딥러닝(Deep Learning)이라 한다. 또한 딥러닝을 위해 사용하는 인공신경망을 심층 신경망(DNN: Deep neural network)라 한다.
도 8은 심층 신경망 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 심층 신경망은 은닉층+출력층이 8개로 구성된 다층 퍼셉트론이다. 상기 다층 퍼셉트론 구조를 완전 연결 신경망(fully-connected neural network)이라 표현한다. 완전 연결 신경망은 서로 같은 층에 위치하는 노드 간에는 연결 관계가 존재하지 않으며, 인접한 층에 위치한 노드들 간에만 연결 관계가 존재한다. DNN은 완전 연결 신경망 구조를 가지고 다수의 은닉층과 활성함수들의 조합으로 구성되어 입력과 출력 사이의 상관관계 특성을 파악하는데 유용하게 적용될 수 있다. 여기서 상관관계 특성은 입출력의 결합확률(joint probability)을 의미할 수 있다.
한편, 복수의 퍼셉트론을 서로 어떻게 연결하느냐에 따라 전술한 DNN과 다른 다양한 인공 신경망 구조를 형성할 수 있다.
도 9은 컨볼루션 신경망의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
DNN은 하나의 층 내부에 위치한 노드들이 1차원적의 세로 방향으로 배치되어 있다. 그러나, 도 9은 노드들이 2차원적으로 가로 w개, 세로 h개의 노드가 배치할 경우를 가정할 수 있다(도 9의 컨볼루션 신경망 구조). 이 경우, 하나의 입력노드에서 은닉층으로 이어지는 연결과정에서 연결 하나당 가중치가 부가되므로 총 hΥw 개의 가중치를 고려해야한다. 입력층에 hΥw 개의 노드가 존재하므로 인접한 두 층 사이에는 총 h2w2 개의 가중치가 필요하다.
도 9의 컨볼루션 신경망은 연결개수에 따라 가중치의 개수가 기하급수적으로 증가하는 문제가 있어 인접한 층 간의 모든 모드의 연결을 고려하는 대신, 크기가 작은 필터(filter)가 존재하는 것으로 가정하여 도 10에서와 같이 필터가 겹치는 부분에 대해서는 가중합 및 활성함수 연산을 수행하도록 한다.
도 10는 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
하나의 필터는 그 크기만큼의 개수에 해당하는 가중치를 가지며, 이미지 상의 어느 특정한 특징을 요인으로 추출하여 출력할 수 있도록 가중치의 학습이 이루어질 수 있다. 도 10에서는 3Υ3 크기의 필터가 입력층의 가장 좌측 상단 3Υ3 영역에 적용되고, 해당 노드에 대한 가중합 및 활성함수 연산을 수행한 결과 출력값을 z22에 저장한다.
상기 필터는 입력층을 스캔하면서 가로, 세로 일정 간격만큼 이동하면서 가중합 및 활성함수 연산을 수행하고 그 출력값을 현재 필터의 위치에 위치시킨다. 이러한 연산 방식은 컴퓨터 비전(computer vision) 분야에서 이미지에 대한 컨볼루션(convolution) 연산과 유사하여 이러한 구조의 심층 신경망을 컨볼루션 신경망(CNN: convolutional neural network)라 하고, 컨볼루션 연산 결과 생성되는 은닉층을 컨볼루션 층(convolutional layer)라 한다. 또한, 복수의 컨볼루션 층이 존재하는 신경망을 심층 컨볼루션 신경망(DCNN: Deep convolutional)이라 한다.
컨볼루션 층에서는 현재 필터가 위치한 노드에서, 상기 필터가 커버하는 영역에 위치한 노드만을 포괄하여 가중합을 계산함으로써, 가중치의 개수를 줄여줄 수 있다. 이로 인해, 하나의 필터가 로컬(local) 영역에 대한 특징에 집중하도록 이용될 수 있다. 이에 따라 CNN은 2차원 영역 상의 물리적 거리가 중요한 판단 기준이 되는 이미지 데이터 처리에 효과적으로 적용될 수 있다. 한편, CNN은 컨볼루션 층의 직전에 복수의 필터가 적용될 수 있으며, 각 필터의 컨볼루션 연산을 통해 복수의 출력 결과를 생성할 수도 있다.
한편, 데이터 속성에 따라 시퀀스(sequence) 특성이 중요한 데이터들이 있을 수 있다. 이러한 시퀀스 데이터들의 길이 가변성, 선후 관계를 고려하여 데이터 시퀀스 상의 원소를 매 시점(timestep) 마다 하나씩 입력하고, 특정 시점에 출력된 은닉층의 출력 벡터(은닉 벡터)를, 시퀀스 상의 바로 다음 원소와 함께 입력하는 방식을 인공 신경망에 적용한 구조를 순환 신경망 구조라 한다.
도 11은 순환 루프가 존재하는 신경망 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 순환 신경망(RNN: recurrent neural netwok)은 데이터 시퀀스 상의 어느 시선 t의 원소 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))를 완전 연결 신경망에 입력하는 과정에서, 바로 이전 시점 t-1은 은닉 벡터 (z1(t-1), z2(t-1),..., zH(t-1))을 함께 입력하여 가중합 및 활성함수를 적용하는 구조이다. 이와 같이 은닉 벡터를 다음 시점으로 전달하는 이유는 앞선 시점들에서의 입력 벡터속 정보들이 현재 시점의 은닉 벡터에 누적된 것으로 간주하기 때문이다.
도 12은 순환 신경망의 동작 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12을 참조하면, 순환 신경망은 입력되는 데이터 시퀀스에 대하여 소정의 시점 순서대로 동작한다.
시점　1에서의 입력 벡터 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))가 순환 신경망에 입력되었을 때의 은닉 벡터　(z1(1),z2(1),...,zH(1))가 시점　2의 입력 벡터　 (x1(2),x2(2),...,xd(2))와 함께 입력되어 가중합 및 활성 함수를 통해 은닉층의 벡터　 (z1(2),z2(2) ,...,zH(2))를 결정한다. 이러한 과정은 시점　2, 시점　3, ,,, 시점 T 까지 반복적으로 수행된다.
한편, 순환 신경망 내에서 복수의 은닉층이 배치될 경우, 이를 심층 순환 신경망(DRNN: Deep recurrent neural network)라 한다. 순환 신경망은 시퀀스 데이터(예를 들어, 자연어 처리(natural language processing)에 유용하게 적용되도록 설계되어 있다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어로서 DNN, CNN, RNN 외에 제한 볼츠만 머신(RBM, Restricted Boltzmann Machine), 심층 신뢰 신경망(DBN, deep belief networks), 심층 Q-네트워크(Deep Q-Network)와 같은 다양한 딥 러닝 기법들을 포함하며, 컴퓨터비젼, 음성인식, 자연어처리, 음성/신호처리 등의 분야에 적용될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
THz(Terahertz) 통신
데이터 전송률은 대역폭을 늘려 높일 수 있다. 이것은 넓은 대역폭으로 sub-THz 통신을 사용하고, 진보된 대규모 MIMO 기술을 적용하여 수행될 수 있다. 밀리미터 이하의 방사선으로도 알려진 THz파는 일반적으로 0.03mm-3mm 범위의 해당 파장을 가진 0.1THz와 10THz 사이의 주파수 대역을 나타낸다. 100GHz-300GHz 대역 범위(Sub THz 대역)는 셀룰러 통신을 위한 THz 대역의 주요 부분으로 간주된다. Sub-THz 대역 mmWave 대역 에 추가하면 6G 셀룰러 통신 용량은 늘어난다.. 정의된 THz 대역 중 300GHz-3THz는 원적외선 (IR) 주파수 대역에 있다. 300GHz-3THz 대역은 광 대역의 일부이지만 광 대역의 경계에 있으며, RF 대역 바로 뒤에 있다. 따라서, 이 300 GHz-3 THz 대역은 RF와 유사성을 나타낸다.
도 13는 전자기 스펙트럼의 일례를 도시한 도면이다.
THz 통신의 주요 특성은 (i) 매우 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해 광범위하게 사용 가능한 대역폭, (ii) 고주파에서 발생하는 높은 경로 손실 (고 지향성 안테나는 필수 불가결)을 포함한다. 높은 지향성 안테나에서 생성된 좁은 빔 폭은 간섭을 줄인다. THz 신호의 작은 파장은 훨씬 더 많은 수의 안테나 소자가 이 대역에서 동작하는 장치 및 BS에 통합될 수 있게 한다. 이를 통해 범위 제한을 극복할 수 있는 고급 적응형 배열 기술을 사용할 수 있다.
광 무선 기술 (Optical wireless technology)
OWC 기술은 가능한 모든 장치-대-액세스 네트워크를 위한 RF 기반 통신 외에도 6G 통신을 위해 계획되었다. 이러한 네트워크는 네트워크-대-백홀/프론트홀 네트워크 연결에 접속한다. OWC 기술은 4G 통신 시스템 이후 이미 사용되고 있으나 6G 통신 시스템의 요구를 충족시키기 위해 더 널리 사용될 것이다. 광 충실도(light fidelity), 가시광 통신, 광 카메라 통신 및 광 대역에 기초한 FSO 통신과 같은 OWC 기술은 이미 잘 알려진 기술이다. 광 무선 기술 기반의 통신은 매우 높은 데이터 속도, 낮은 지연 시간 및 안전한 통신을 제공할 수 있다. LiDAR 또한 광 대역을 기반으로 6G 통신에서 초 고해상도 4D 매핑을 위해 이용될 수 있다.
FSO 백홀 네트워크
FSO 시스템의 송신기 및 수신기 특성은 광섬유 네트워크의 특성과 유사하다. 따라서, FSO 시스템의 데이터 전송은 광섬유 시스템과 비슷하다. 따라서, FSO는 광섬유 네트워크와 함께 6G 시스템에서 백홀 연결을 제공하는 좋은 기술이 될 수 있다. FSO를 사용하면, 10,000km 이상의 거리에서도 매우 장거리 통신이 가능하다. FSO는 바다, 우주, 수중, 고립된 섬과 같은 원격 및 비원격 지역을 위한 대용량 백홀 연결을 지원한다. FSO는 셀룰러 BS 연결도 지원한다.
대규모 MIMO 기술
스펙트럼 효율을 향상시키는 핵심 기술 중 하나는 MIMO 기술을 적용하는 것이다. MIMO 기술이 향상되면 스펙트럼 효율도 향상된다. 따라서, 6G 시스템에서 대규모 MIMO 기술이 중요할 것이다. MIMO 기술은 다중 경로를 이용하기 때문에 데이터 신호가 하나 이상의 경로로 전송될 수 있도록 다중화 기술 및 THz 대역에 적합한 빔 생성 및 운영 기술도 중요하게 고려되어야 한다.
블록 체인
블록 체인은 미래의 통신 시스템에서 대량의 데이터를 관리하는 중요한 기술이 될 것이다. 블록 체인은 분산 원장 기술의 한 형태로서, 분산 원장은 수많은 노드 또는 컴퓨팅 장치에 분산되어 있는 데이터베이스이다. 각 노드는 동일한 원장 사본을 복제하고 저장한다. 블록 체인은 P2P 네트워크로 관리된다. 중앙 집중식 기관이나 서버에서 관리하지 않고 존재할 수 있다. 블록 체인의 데이터는 함께 수집되어 블록으로 구성된다. 블록은 서로 연결되고 암호화를 사용하여 보호된다. 블록 체인은 본질적으로 향상된 상호 운용성(interoperability), 보안, 개인 정보 보호, 안정성 및 확장성을 통해 대규모 IoT를 완벽하게 보완한다. 따라서, 블록 체인 기술은 장치 간 상호 운용성, 대용량 데이터 추적성, 다른 IoT 시스템의 자율적 상호 작용 및 6G 통신 시스템의 대규모 연결 안정성과 같은 여러 기능을 제공한다.
3D 네트워킹
6G 시스템은 지상 및 공중 네트워크를 통합하여 수직 확장의 사용자 통신을 지원한다. 3D BS는 저궤도 위성 및 UAV를 통해 제공될 것이다. 고도 및 관련 자유도 측면에서 새로운 차원을 추가하면 3D 연결이 기존 2D 네트워크와 상당히 다르다.
양자 커뮤니케이션
6G 네트워크의 맥락에서 네트워크의 감독되지 않은 강화 학습이 유망하다. 지도 학습 방식은 6G에서 생성된 방대한 양의 데이터에 레이블을 지정할 수 없다. 비지도 학습에는 라벨링이 필요하지 않다. 따라서, 이 기술은 복잡한 네트워크의 표현을 자율적으로 구축하는 데 사용할 수 있다. 강화 학습과 비지도 학습을 결합하면 진정한 자율적인 방식으로 네트워크를 운영할 수 있다.
무인 항공기
UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 또는 드론은 6G 무선 통신에서 중요한 요소가 될 것이다. 대부분의 경우, UAV 기술을 사용하여 고속 데이터 무선 연결이 제공된다. BS 엔티티는 셀룰러 연결을 제공하기 위해 UAV에 설치된다. UAV는 쉬운 배치, 강력한 가시선 링크 및 이동성이 제어되는 자유도와 같은 고정 BS 인프라에서 볼 수 없는 특정 기능을 가지고 있다. 천재 지변 등의 긴급 상황 동안, 지상 통신 인프라의 배치는 경제적으로 실현 가능하지 않으며, 때로는 휘발성 환경에서 서비스를 제공할 수 없다. UAV는 이러한 상황을 쉽게 처리할 수 있다. UAV는 무선 통신 분야의 새로운 패러다임이 될 것이다. 이 기술은 eMBB, URLLC 및 mMTC 인 무선 네트워크의 세 가지 기본 요구 사항을 용이하게 한다. UAV는 또한, 네트워크 연결성 향상, 화재 감지, 재난 응급 서비스, 보안 및 감시, 오염 모니터링, 주차 모니터링, 사고 모니터링 등과 같은 여러 가지 목적을 지원할 수 있다. 따라서, UAV 기술은 6G 통신에 가장 중요한 기술 중 하나로 인식되고 있다.
셀-프리 통신(Cell-free Communication)
여러 주파수와 이기종 통신 기술의 긴밀한 통합은 6G 시스템에서 매우 중요하다. 결과적으로, 사용자는 디바이스에서 어떤 수동 구성을 만들 필요 없이 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 이동할 수 있다. 사용 가능한 통신 기술에서 최상의 네트워크가 자동으로 선택된다. 이것은 무선 통신에서 셀 개념의 한계를 깨뜨릴 것이다. 현재, 하나의 셀에서 다른 셀로의 사용자 이동은 고밀도 네트워크에서 너무 많은 핸드 오버를 야기하고, 핸드 오버 실패, 핸드 오버 지연, 데이터 손실 및 핑퐁 효과를 야기한다. 6G 셀-프리 통신은 이 모든 것을 극복하고 더 나은 QoS를 제공할 것이다. 셀-프리 통신은 멀티 커넥티비티 및 멀티-티어 하이브리드 기술과 장치의 서로 다른 이기종 라디오를 통해 달성될 것이다.
무선 정보 및 에너지 전송 통합
WIET은 무선 통신 시스템과 같이 동일한 필드와 웨이브(wave)를 사용한다. 특히, 센서와 스마트폰은 통신 중 무선 전력 전송을 사용하여 충전될 것이다. WIET은 배터리 충전 무선 시스템의 수명을 연장하기 위한 유망한 기술이다. 따라서, 배터리가 없는 장치는 6G 통신에서 지원될 것이다.
센싱과 커뮤니케이션의 통합
자율 무선 네트워크는 동적으로 변화하는 환경 상태를 지속적으로 감지하고 서로 다른 노드간에 정보를 교환할 수 있는 기능이다. 6G에서, 감지는 자율 시스템을 지원하기 위해 통신과 긴밀하게 통합될 것이다.
액세스 백홀 네트워크의 통합
6G에서 액세스 네트워크의 밀도는 엄청날 것이다. 각 액세스 네트워크는 광섬유와 FSO 네트워크와 같은 백홀 연결로 연결된다. 매우 많은 수의 액세스 네트워크들에 대처하기 위해, 액세스 및 백홀 네트워크 사이에 긴밀한 통합이 있을 것이다.
홀로그램 빔 포밍
빔 포밍은 특정 방향으로 무선 신호를 전송하기 위해 안테나 배열을 조정하는 신호 처리 절차이다. 스마트 안테나 또는 진보된 안테나 시스템의 하위 집합이다. 빔 포밍 기술은 높은 호 대잡음비, 간섭 방지 및 거부, 높은 네트워크 효율과 같은 몇 가지 장점이 있다. 홀로그램 빔 포밍 (HBF)은 소프트웨어-정의된 안테나를 사용하기 때문에 MIMO 시스템과 상당히 다른 새로운 빔 포밍 방법이다. HBF는 6G에서 다중 안테나 통신 장치에서 신호의 효율적이고 유연한 전송 및 수신을 위해 매우 효과적인 접근 방식이 될 것이다.
빅 데이터 분석
빅 데이터 분석은 다양한 대규모 데이터 세트 또는 빅 데이터를 분석하기 위한 복잡한 프로세스이다. 이 프로세스는 숨겨진 데이터, 알 수 없는 상관 관계 및 고객 성향과 같은 정보를 찾아 완벽한 데이터 관리를 보장한다. 빅 데이터는 비디오, 소셜 네트워크, 이미지 및 센서와 같은 다양한 소스에서 수집된다. 이 기술은 6G 시스템에서 방대한 데이터를 처리하는 데 널리 사용된다.
Large Intelligent Surface(LIS)
THz 대역 신호의 경우 직진성이 강하여 방해물로 인한 음영 지역이 많이 생길 수 있는데, 이러한 음영 지역 근처에 LIS 설치함으로써 통신 권역을 확대하고 통신 안정성 강화 및 추가적인 부가 서비스가 가능한 LIS 기술이 중요하게 된다. LIS는 전자기 물질(electromagnetic materials)로 만들어진 인공 표면(artificial surface)이고, 들어오는 무선파와 나가는 무선파의 전파(propagation)를 변경시킬 수 있다. LIS는 massive MIMO의 확장으로 보여질 수 있으나, massive MIMO와 서로 다른 array 구조 및 동작 메커니즘이 다르다. 또한, LIS는 수동 엘리먼트(passive elements)를 가진 재구성 가능한 리플렉터(reflector)로서 동작하는 점 즉, 활성(active) RF chain을 사용하지 않고 신호를 수동적으로만 반사(reflect)하는 점에서 낮은 전력 소비를 가지는 장점이 있다. 또한, LIS의 수동적인 리플렉터 각각은 입사되는 신호의 위상 편이를 독립적으로 조절해야 하기 때문에, 무선 통신 채널에 유리할 수 있다. LIS 컨트롤러를 통해 위상 편이를 적절히 조절함으로써, 반사된 신호는 수신된 신호 전력을 부스트(boost)하기 위해 타겟 수신기에서 모여질 수 있다.
테라헤르츠(THz) 무선통신 일반
THz 무선통신은 대략 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 진동수를 가지는 THz파를 이용하여 무선통신을 이용하는 것으로, 100GHz 이상의 매우 높은 캐리어 주파수를 사용하는 테라헤르츠(THz) 대역 무선통신을 의미할 수 있다. THz파는 RF(Radio Frequency)/밀리미터(mm)와 적외선 대역 사이에 위치하며, (i) 가시광/적외선에 비해 비금속/비분극성 물질을 잘 투과하며 RF/밀리미터파에 비해 파장이 짧아 높은 직진성을 가지며 빔 집속이 가능할 수 있다. 또한, THz파의 광자 에너지는 수 meV에 불과하기 때문에 인체에 무해한 특성이 있다. THz 무선통신에 이용될 것으로 기대되는 주파수 대역은 공기 중 분자 흡수에 의한 전파 손실이 작은 D-밴드(110GHz~170GHz) 혹은 H-밴드(220GHz~325GHz) 대역일 수 있다. THz 무선통신에 대한 표준화 논의는 3GPP 이외에도 IEEE 802.15 THz working group을 중심으로 논의되고 있으며, IEEE 802.15의 Task Group (TG3d, TG3e)에서 발행되는 표준문서는 본 개시의 다양한 실시 예들에서 설명되는 내용을 구체화하거나 보충할 수 있다. THz 무선통신은 무선 인식(wireless cognition), 센싱(sensing), 이미징(imaging), 무선 통신(wireless), THz 네비게이션(navigation) 등에 응용될 수 있다.
도 14는 THz 통신 응용의 일례를 도시한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, THz 무선통신 시나리오는 매크로 네트워크(macro network), 마이크로 네트워크(micro network), 나노스케일 네트워크(nanoscale network)로 분류될 수 있다. 매크로 네트워크에서 THz 무선통신은 vehicle-to-vehicle 연결 및 backhaul/fronthaul 연결에 응용될 수 있다. 마이크로 네트워크에서 THz 무선통신은 인도어 스몰 셀(small cell), 데이터 센터에서 무선 연결과 같은 고정된 point-to-point 또는 multi-point 연결, 키오스크 다운로딩과 같은 근거리 통신(near-field communication)에 응용될 수 있다.
아래 표 2는 THz 파에서 이용될 수 있는 기술의 일례를 나타낸 표이다.
Transceivers Device Available immature: UTC-PD, RTD and SBD
Modulation and Coding Low order modulation techniques (OOK, QPSK), LDPC, Reed Soloman, Hamming, Polar, Turbo
Antenna Omni and Directional, phased array with low number of antenna elements
Bandwidth 69GHz (or 23 GHz) at 300GHz
Channel models Partially
Data rate 100Gbps
Outdoor deployment No
Free space loss High
Coverage Low
Radio Measurements 300GHz indoor
Device size Few micrometers
THz 무선통신은 THz 발생 및 수신을 위한 방법을 기준으로 분류할 수 있다. THz 발생 방법은 광 소자 또는 전자소자 기반 기술로 분류할 수 있다.
도 15는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
전자 소자를 이용하여 THz를 발생시키는 방법은 공명 터널링 다이오드(RTD: Resonant Tunneling Diode)와 같은 반도체 소자를 이용하는 방법, 국부 발진기와 체배기를 이용하는 방법, 화합물 반도체 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 기반의 집적회로를 이용한 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) 방법, Si-CMOS 기반의 집적회로를 이용하는 방법 등이 있다. 도 15의 경우, 주파수를 높이기 위해 체배기(doubler, tripler, multiplier)가 적용되었고, 서브하모닉 믹서를 지나 안테나에 의해 방사된다. THz 대역은 높은 주파수를 형성하므로, 체배기가 필수적이다. 여기서, 체배기는 입력 대비 N배의 출력 주파수를 갖게 하는 회로이며, 원하는 하모닉 주파수에 정합시키고, 나머지 모든 주파수는 걸러낸다. 그리고, 도 15의 안테나에 배열 안테나 등이 적용되어 빔포밍이 구현될 수도 있다. 도 15에서, IF는 중간 주파수(intermediate frequency)를 나타내며, tripler, multipler는 체배기를 나타내며, PA 전력 증폭기(Power Amplifier)를 나타내며, LNA는 저잡음 증폭기(low noise amplifier), PLL은 위상동기회로(Phase-Locked Loop)를 나타낸다.
도 16는 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 17은 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
광 소자 기반 THz 무선통신 기술은 광소자를 이용하여 THz 신호를 발생 및 변조하는 방법을 말한다. 광 소자 기반 THz 신호 생성 기술은 레이저와 광변조기 등을 이용하여 초고속 광신호를 생성하고, 이를 초고속 광검출기를 이용하여 THz 신호로 변환하는 기술이다. 이 기술은 전자 소자만을 이용하는 기술에 비해 주파수를 증가시키기가 용이하고, 높은 전력의 신호 생성이 가능하며, 넓은 주파수 대역에서 평탄한 응답 특성을 얻을 수 있다. 광소자 기반 THz 신호 생성을 위해서는 도 16에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드, 광대역 광변조기, 초고속 광검출기가 필요하다. 도 16의 경우, 파장이 다른 두 레이저의 빛 신호를 합파하여 레이저 간의 파장 차이에 해당하는 THz 신호를 생성하는 것이다. 도 16에서, 광 커플러(Optical Coupler)는 회로 또는 시스템 간의 전기적 절연과의 결합을 제공하기 위해 광파를 사용하여 전기신호를 전송하도록 하는 반도체 디바이스를 의미하며, UTC-PD(Uni-Travelling Carrier Photo-Detector)은 광 검출기의 하나로서, 능동 캐리어(active carrier)로 전자를 사용하며 밴드갭 그레이딩(Bandgap Grading)으로 전자의 이동 시간을 감소시킨 소자이다. UTC-PD는 150GHz 이상에서 광검출이 가능하다. 도 17에서, EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)는 어븀이 첨가된 광섬유 증폭기를 나타내며, PD(Photo Detector)는 광신호를 전기신호로 변환할 수 있는 반도체 디바이스를 나타내며, OSA는 각종 광통신 기능(광전 변환, 전광 변환 등)을 하나의 부품으로 모듈화시킨 광모듈(Optical Sub Aassembly)을 나타내며, DSO는 디지털 스토리지 오실로스코프(digital storage oscilloscope)를 나타낸다.
도 18 및 도 19을 참조하여 광전 변환기(또는 광전 컨버터)의 구조를 설명한다.
도 18은 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 도시한 도면이다,
도 19는 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 도시한 도면이다.
일반적으로 레이저(Laser)의 광학 소스(Optical source)를 광파 가이드(Optical wave guide)를 통과시켜 신호의 위상(phase)등을 변화시킬 수 있다. 이때, 마이크로파 컨택트(Microwave contact) 등을 통해 전기적 특성을 변화시킴으로써 데이터를 싣게 된다. 따라서, 광학 변조기 출력(Optical modulator output)은 변조된(modulated) 형태의 파형으로 형성된다. 광전 변조기(O/E converter)는 비선형 크리스탈(nonlinear crystal)에 의한 광학 정류(optical rectification) 동작, 광전도 안테나(photoconductive antenna)에 의한 광전 변환(O/E conversion), 광속의 전자 다발(bunch of relativistic electrons)로부터의 방출(emission) 등에 따라 THz 펄스를 생성할 수 있다. 상기와 같은 방식으로 발생한 테라헤르츠 펄스(THz pulse)는 펨토 세컨드(femto second)부터 피코 세컨드(pico second)의 단위의 길이를 가질 수 있다. 광전 변환기(O/E converter)는 소자의 비선형성(non-linearity)을 이용하여, 하향 변환(Down conversion)을 수행한다.
테라헤르츠 스펙트럼의 용도(THz spectrum usage)를 고려할 때, 테라헤르츠 시스템을 위해서 고정된(fixed) 또는 모바일 서비스(mobile service) 용도로써 여러 개의 연속적인 기가헤르츠(contiguous GHz)의 대역들(bands)을 사용할 가능성이 높다. 아웃도어(outdoor) 시나리오 기준에 의하면, 1THz까지의 스펙트럼에서 산소 감쇠(Oxygen attenuation) 10^2 dB/km를 기준으로 가용 대역폭(Bandwidth)이 분류될 수 있다. 이에 따라 상기 가용 대역폭이 여러 개의 밴드 청크(band chunk)들로 구성되는 프레임워크(framework)가 고려될 수 있다. 상기 프레임워크의 일 예시로 하나의 캐리어(carrier)에 대해 테라헤르츠 펄스(THz pulse)의 길이를 50ps로 설정한다면, 대역폭(BW)은 약 20GHz가 된다.
적외선 대역(IR band)에서 테라헤르츠 대역(THz band)으로의 효과적인 하향 변환(Down conversion)은 광전 컨버터(O/E converter)의 비선형성(nonlinearity)을 어떻게 활용하는가에 달려 있다. 즉, 원하는 테라헤르츠 대역(THz band)으로 하향 변환(down conversion)하기 위해서는 해당 테라헤르츠 대역(THz band)에 옮기기에 가장 이상적인 비선형성(non-linearity)을 갖는 광전 변환기(O/E converter)의 설계가 요구된다. 만일 타겟으로 하는 주파수 대역에 맞지 않는 광전 변환기(O/E converter)를 사용하는 경우, 해당 펄스(pulse)의 크기(amplitude), 위상(phase)에 대하여 오류(error)가 발생할 가능성이 높다.
단일 캐리어(single carrier) 시스템에서는 광전 변환기 1개를 이용하여 테라헤르츠 송수신 시스템이 구현될 수 있다. 채널 환경에 따라 달라지지만 멀리 캐리어(Multi carrier) 시스템에서는 캐리어 수만큼 광전 변환기가 요구될 수 있다. 특히 전술한 스펙트럼 용도와 관련된 계획에 따라 여러 개의 광대역들을 이용하는 멀티 캐리어 시스템인 경우, 그 현상이 두드러지게 될 것이다. 이와 관련하여 상기 멀티 캐리어 시스템을 위한 프레임 구조가 고려될 수 있다. 광전 변환기를 기반으로 하향 주파수 변환된 신호는 특정 자원 영역(예: 특정 프레임)에서 전송될 수 있다. 상기 특정 자원 영역의 주파수 영역은 복수의 청크(chunk)들을 포함할 수 있다. 각 청크(chunk)는 적어도 하나의 컴포넌트 캐리어(CC)로 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 구체적인 설명
이하 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 개시는 양자 통신(quantum communication) 시스템에서 하이브리드 접근 방식을 갖춘 양자 일관성 시간 기반 양자 공개키 인프라(Quantum Public Key Infrastructure)를 지원하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 배경기술
사용자 인증 기술
도 20은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 중간자 공격의 일례를 도시한 도면이다.
양자 통신 시스템에서는 기법에서는 양자 채널로 전송된 정보의 안전성을 양자 역학 특성인 복제 불가능성(Non-Cloning theorem)을 통해 보장한다. 이로부터 양자 채널로 전송된 정보 중 일부를 이용하여 QBER(Quantum Bit Error Rate) 추정 과정을 통해 양자 채널로 전송된 메시지 정보의 제 3자를 통한 도청 여부가 있었는지를 파악할 수 있으므로 전송 메시지의 안전성을 보장할 수 있다. 하지만 도 20과 같이 제 3자 Eve가 송신자인 Alice와 수신자인 Bob 사이에 존재하여 Alice에게는 수신자인 척하고 Bob에게는 송신자인 척하는 중간자 공격을 시도할 경우, Alice와 eve 그리고 eve와 Bob 사이의 정보 전송을 통한 QBER 추정 결과로는 제 3자 Eve의 중간자 공격 여부를 확인할 수 없다. 이를 통해 제 3자 Eve는 데이터를 중계하면서 전달되는 내용을 모두 알 수 있고, 심지어 위/변조 시도를 할 수도 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 정보를 주고받는 주체인 송신자와 수신자가 허가된 사용자가 맞는지 확인하는 사용자 인증 과정이 필요하다.
기존의 인증 기법은 암호학적 강점으로 가지는 요소가 포함된 해쉬 함수를 기반으로 한 방식과 정보이론 관점의 안전성을 기반으로 하는 방식으로 나눌 수 있다. 우선. 암호학적 해쉬 함수를 기반으로 하는 기법에서는 해쉬 함수의 충돌 확률이 계산적 복잡도에 기반함을 토대로 인증 기술로 사용되고 있으며, 현재 암호 기술 중 SHA 기법이 대표적인 해쉬 함수 기반의 기술로 알려져 있다. 하지만 이 기법은 계산 복잡도를 기반으로 하기 때문에 양자 컴퓨터의 등장으로 향후 안전성의 위협을 받을 가능성이 높다. 이로부터 안전성을 강화하기 위하여 현재 사용 중인 양자 암호 통신 시스템에서는 정보 이론적 안전성에 기반하여 대칭 키와 해쉬 함수를 결합한 keyed hash 함수 패밀리를 사용하는 방식을 인증 기술로 적용하여 사용하고 있으며, ETSI 등 양자 통신 표준 단체에서도 이 방식을 표준 인증 방식으로 채택하고 있다. 이 방식은 Strongly Universal Hashing이라는 해쉬 함수를 메시지 인증 부호(Message authentication code, MAC) 알고리즘으로 이용하여 인증 과정에 사용될 메시지 인증 부호(Message authentication code, MAC)를 생성하며, 생성 과정에서 추가로 one time pad(OTP)로 사용되는 대칭 키를 이용하는데 키 정보를 알지 못하고서는 MAC으로부터 역 과정을 통해 정보를 복구할 수 있는 가능성이 매우 낮기 때문에 현재 안전성이 가장 높다고 알려져 있다. 대표적인 방식으로 M. Wegman과 J. Carter에 의해 제안된 Wegman & Carter Authentication(WCA) 기법이 있다. 현재 WCA 계열의 인증 기법이 QKD 등 양자 정보 전송 기법의 표준 인증 방법으로 적용되고 있으며, WCA의 세부적인 구성은 다음과 같다.
Classical authentication method: Message authentication code (MAC) by Wegman & Carter
도 21은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 MAC 기반의 인증 기법의 일례를 도시한 도면이다.
MAC는 메시지의 무결성을 검증하는데 사용하는 것으로 도 21와 같이 송수신자 간에 사전 공유된 일회성 대칭키 정보를 알지 못하는 제 3자는 MAC 생성시 어떤 MAC 알고리즘을 사용했는지 알기 어렵다는 것을 이용한 인증 기법이다. 인증 과정 전에 송신자와 수신자는 동일한 대칭 key 정보와 MAC 알고리즘을 공유하고, 송신부에서 인증에 사용할 평문 메시지를 MAC 알고리즘에 입력하면 pre-shared key의 값으로부터 MAC 알고리즘 중 어떤 알고리즘을 사용할지 선택한다. 그 다음, 선택된 MAC 알고리즘에 평문을 입력하면 출력 값으로 MAC을 얻을 수 있으며, 수신부의 MAC 생성을 위해 송신부는 고전 채널로 자신이 생성한 평문 메시지와 MAC를 전송한다. 수신부는 수신된 평문 메시지를 수신부의 MAC 알고리즘에 통과시킨다. 이 때, 수신부는 송신부와 동일한 pre-shared key를 가지고 있으므로 송신부와 동일한 MAC 알고리즘으로 MAC을 생성할 수 있다. 마지막으로 송신부에서 전송한 MAC과 수신부에서 생성한 MAC이 일치하는지를 비교한다. 만약 두 값이 일치하면 인증이 통과된 것이고, 두 값이 일치하지 않으면 인증은 실패하게 된다. MAC를 사용하는 방식에서는 결국 사전 공유된 대칭키 정보는 고전 채널을 통해 전송되는 정보가 아니고 약속된 송수신자만이 가지는 정보이므로 이를 모르는 제 3자가 대칭키를 확보하지 못한 상태에서 메시지 정보를 안다고 해도 이로부터 어떤 MAC 알고리즘을 적용하는지를 알 수 없으므로 이로부터 안전성을 보장하는 방식이다. 따라서 이 기법의 안전성은 MAC 알고리즘을 구성하는 방법이 다양할수록 높다고 할 수 있다.
도 22은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Wegman & Carter Authentication(WCA)의 일례를 도시한 도면이다.
현재 4G LTE/ 5G 의 보안 기술로 적용되고 있는 양자 키 분배(QKD) 프로토콜에서는 Wegman과 Carter에 의해 제안된 WCA 기법을 표준 인증 기술로 채택하여 사용 중이며, One time pad 형태로 생성되는 대칭 키와 Strongly Universal Hash class 를 이용하여 인증에 사용될 MAC로 Tag를 생성하는 도 22의 방식을 사용한다.
이 기법은 메시지 전송 중 송수신자의 변경 여부 확인을 위한 사용자 인증 그리고 메시지 정보의 내용 및 순서의 변경 여부 확인을 위한 메시지 인증에 모두 적용이 가능하다. 여기서도 MAC와 유사하게 사전 공유 키와 MAC 알고리즘을 이용하여 MAC 역할을 하는 tag 정보를 생성하는데 이때 사용되는 MAC 알고리즘으로 Strongly Universal Hash class의 Hash 함수 set H를 이용한다. 그리고 송수신부에서 사전 공유된 키 정보는 H에서 어떤 hash 함수 h_k를 사용할지 선택하는 역할을 하며, 사전 공유 키의 길이는 log2|H| bits로 할당되고, 여기서 |H|는 해쉬 함수 set을 구성하는 해쉬 함수의 개수를 의미한다. 다음으로 Tag 정보는 T=hk(m)로 표기되며, 인증 과정의 메시지 m을 입력 값으로 사전 공유 키로부터 선택된 해쉬 함수 hk 통과 후 얻어지는 결과로부터 얻어진다. 마지막으로 송신부에서 전송한 tag 정보와 수신부에서 수신된 메시지와 수신부의 사전 공유 키와 해쉬 함수로부터 얻은 수신부의 tag 정보를 비교하여 일치 여부를 확인한 후 인증 여부를 결정한다.
Wegman & Carter 인증 기법에서는 앞서 언급한 바와 같이 MAC 알고리즘으로 해쉬 함수가 사용되는데 해쉬 함수는 임의의 길이를 가진 정보를 입력 받아 고정된 길이의 해시 값으로 출력하는 함수로써 원래 길이의 문장이 일정한 길이의 크기로 줄어든다고 해서 Message digest라고도 한다. 그리고 해쉬 함수를 인증 과정의 MAC로 사용하는 이유는 다음 3가지 특성을 가지기 때문이다.
(1) 역상 저항성(1st Preimage resistance): 주어진 임의의 출력 값 y에 대하여, y=h(x)를 만족하는 입력 값 x를 찾는 것이 계산적으로 불가능하다.
(2) 제 2역상 저항성(2nd Preimage resistance): 주어진 입력 값 x에 대한 h(x)가 있고, h(x)=h(x`)일 때, x≠x`를 만족하는 다른 입력 값 x`를 찾는 것이 계산적으로 불가능하다.
(3) 충돌 저항성(Collision resistance): 해쉬 값 h(x) = h(x`)를 만족하는 두 입력 값 x, x`을 찾는 것이 계산적으로 불가능하다.
도 23은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Wegman & Carter Authentication(WCA)에서 충돌 확률의 일례를 도시한 도면이다.
WCA은 Man in the middle attack으로 eve가 메시지 m 을 m'로 대체하고 tag를 추측해서 보낸다고 할 때, eve는 송신부와 수신부가 어떤 해쉬 함수를 사용했는지 모르므로 임의의 해쉬 함수를 선택해서 tag를 추정하므로 그 성공확률은 1/|T|이다. (여기서 |T|는 tag의 개수를 의미한다.) 즉 tag의 개수는 사용하는 해쉬 함수의 종류 |H|가 몇 개인지에 의해 결정되므로 더 많은 종류의 해쉬 함수를 사용할수록 eve가 tag를 추정할 가능성은 낮아진다고 할 수 있다. 즉, 도 23의 충돌 확률 수식에서와 같이 해쉬 함수의 개수가 클수록 충돌 확률은 낮아진다.
Ref. 1) T. Krovetz and W. Dai (2007). "VMAC: Message Authentication Code using Universal Hashing". CFRG Working Group. IETF. Retrieved 2010-08-12
Ref. 2) J. Carter; M. Wegman (1977). "Universal classes of hash functions". Proceedings of the Ninth Annual ACM Symposium on Theory of Computing. ACM: 106?112.
Ref. 3) J. Carter; M. Wegman (1981). "New hash functions and their use in authentication and set equality". Journal of Computer and System Sciences. 22 (3): 265-279.
양자의 No-cloning Theorem
도 24는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 큐비트 복제의 개념(A Concept of Cloning for a Qubit)의 일례를 도시한 도면이다.
양자 통신에서 활용하는 양자의 복제 불가능성은 양자 통신의 보안성을 제공하는 중요한 이론적 원리이다. 물리학에서는 임의의 미지의 양자 상태의 독립적이고 동일한 사본을 생성하는 것은 불가능하다는 이론이다. 1970년 James Park의 No-go Theorem에서 출발하여 1982년 Wootters 와 Zurek에 의해 No-cloning Theorem이 발표되었다. 이후 Quantum Cloning 관련 기술의 개발 및 실험은 진행되나 완전하게 독립적이고 동일한 사본을 생성하는 것이 아닌 일부의 Fidelity를 보유한 Entanglement 상태의 Clone을 생성하는 연구로써 No-cloning Theorem을 위배하지는 않는다.
Qubit을 Copy 한다는 것은 Input State 에 대해서 Quantum Dynamics를 통해 Original State 와 Clone State 를 출력하는 것을 말한다. 도식화 하면 도 24와 같다.
상기에서 Unitary Transform을 CNOT Gate로 구성하면, Ancilla State 로 할 때, 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.
따라서, 목적으로 하는 의 상태를 도출할 수는 없다. 더 일반화해서 정리하면, Qubit을 Copy하는 임의의 Unitary Transform이 존재한다고 할 때, Input State 또는 라고 가정하자. 그러면, 다음의 수학식 2와 같은 관계가 나타난다.
그러면, Input State가 임의의 Quantum State 일 때, 다음의 수학식 3과 같은 관계가 나타난다.
즉, Qubit을 완전하게 Copy하는 임의의 Unitary Transform은 존재할 수 없다.
따라서, 양자 통신에서 공격자가 Qubit을 탈취하더라도 해당 Qubit을 복사해서 공격에 활용하는 것은 불가능 하다.
양자의 Coherence Time
양자 통신에서 활용하는 Qubit은 고전 통신과 유사하게 양자 통신 과정 또한 실제적인 환경에서 존재하는 불완결성으로 인해 전송되는 정보의 품질에 영향을 받을 수 있다. 이러한 환경과의 상호작용은 양자 상태에 비가역적인 변화과정을 일으키는데 이를 Decoherence 과정이라고 한다. 환경적 Decoherence은 양자 상태 손상의 주요 원인을 구성하며, 이는 양자 메모리뿐만 아니라 양자 전송 또는 양자 처리 과정 중에 일어날 수 있다. 특히, Qubit은 고전 통신과 달리 매우 낮은 에너지 레벨에 해당하는 단일 Photon 수준의 상태를 기반으로 하기 때문에, 환경(온도, 진동, 대기환경, 소자 등)에 매우 민감하다. 따라서, 양자 상태는 일정 시간 이후에 양자의 중첩상태를 잃어 고유한 성질을 잃게 될 수 있다. 양자의 고유한 성질을 유지하면서 양자의 기존 중첩상태를 유지하는 시간을 Coherence Time이라 한다.
따라서, 양자 통신에서 Qubit을 기반으로 하는 통신은 Coherence Time 내에 이루어져야 한다. 또한, 해당 시간 이내에 통신을 위해 필요한 전달, 연산 그리고 측정의 동작을 완료해야 송신자가 목적으로 한 정보를 수신자에게 정확하게 전달할 수 있다.
본 개시에서 사용되는 기호/약어/용어는 다음과 같다.
- QA: Quantum Authentication
본 개시에서 해결하고자 하는 기술적 과제
Authentication with Key Distribution in Classical Communication
도 25는 5G Network 시스템에서 보안 Key들의 일례를 도시한 도면이다.
기존의 통신시스템 중 3GPP 표준에서 5G Network을 고려할 경우, 도 25와 같은 방법으로 통신에 활용할 보안 Key들을 획득할 수 있다.
도 25에서 Network Side의 UDM/ARPF (Unified Data Management/Authentication credential Repository Processing Function)와 UE Side의 USIM (Universal Subscriber Identity Module)이 사전에 정의된 방법을 통해 Root Key K를 공유하고 있다. Root Key는 Operator의 선택에 의해 128 Bit 또는 256Bit에 해당하는 사용자 고유정보 Key이며, Root Key를 통해 Ciphering Key 또는 Integrity Key를 통해 사용자 인증 과정인 5G AKA 또는 EAP-AKA'을 통해 사용자 인증과 동시에 KSEAF에 해당하는 Anchor Key를 생성한다. 상기 과정을 통해 UE는 Network에 사용자 인증이 되며, 이후 통신에서 암호화 등의 보안통신에 적용할 Key 들을 생성하기 위한 Anchor Key를 나누어 가지게 된다.
상기에서 사용자 인증을 위해서 동작하는 5G AKA 또는 EAP-AKA' 과정은 하기와 같은 절차로 요약할 수 있다.
(3GPP TS 33.501) 6.1.2 Initiation of authentication and selection of authentication method
도 26은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 인증 절차 개시 및 인증 방법 선택 과정의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 26은 (3GPP TS 33.501 v18.1) Figure 6.1.2-1: Initiation of authentication procedure and selection of authentication method를 나타낸다.
사용자 인증과정을 수행하기 위해 UE는 가입자 신원정보인 SUCI (Subscription Concealed Identifier) 또는 임시 신원정보인 5G-GUTI(5G-Globally Unique Temporary Identity)를 포함한 Registration Request Message를 N1 Message로써 SEAF(Security Anchor Function)/AMF(Access and Mobility Management Function)로 전송한다. 이 때, 5G-GUTI가 사용되는 경우는 단말이 이전 등록과정에서 인증에 성공한 이후 AMF로부터 5G-GUTI를 부여 받았을 때 이며, 5G-GUTI는 AMF에서 mapping되는 SUPI(Subscription Permanent Identifier)로 변환된다. 만일 UE가 5G-GUTI를 가지고 있지 않거나, AMF로부터 Identity Request message를 전달받게 되면 SUCI를 통해 인증을 요청해야 한다.
등록요청을 수신한 SEAF는 SUCI 또는 SUPI를 바탕으로 단말이 가입한 이동통신사업자 정보를 얻고, 해당 이동통신 망(HN)의 AUSF(Authentication Server Function)로 현재 접속되어 있는 망 (SN)의 정보와 함께 인증요청 메시지를 전달하면 AUSF는 다시 UDM(Unified Data Management)으로 전달한다. UDM에서는 우선 SIDF(Subscription Identifier De-concealing Function)를 이용하여 SUCI를 SUPI로 복호화하여 사용자를 확인하고 인증방법 5G-AKA 또는 EAP-AKA'을 선정한다.
(3GPP TS 33.501) 6.1.3 Authentication Procedures
도 27은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 인증 절차 개시 및 인증 방법 선택 과정의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 27은 (3GPP TS 33.501 v18.1) Figure 6.1.3.2-1: Authentication procedure for 5G AKA를 나타낸다.
The authentication procedure for 5G AKA works as follows, cf. also Figure 6.1.3.2-1:
1. For each Nudm_Authenticate_Get Request, the UDM/ARPF shall create a 5G HE AV. The UDM/ARPF does this by generating an AV with the Authentication Management Field (AMF) separation bit set to "1" as defined in TS 33.102. The UDM/ARPF shall then derive KAUSF (as per Annex A.2) and calculate XRES* (as per Annex A.4). Finally, the UDM/ARPF shall create a 5G HE AV from RAND, AUTN, XRES*, and KAUSF.
2. The UDM shall then return the 5G HE AV to the AUSF together with an indication that the 5G HE AV is to be used for 5G AKA in a Nudm_UEAuthentication_Get Response. In case SUCI was included in the Nudm_UEAuthentication_Get Request, UDM will include the SUPI in the Nudm_UEAuthentication_Get Response after deconcealment of SUCI by SIDF.
If a subscriber has an AKMA subscription, the UDM shall include the AKMA indication and Routing indicator in the Nudm_UEAuthentication_Get Response.
3. The AUSF shall store the XRES* temporarily together with the received SUCI or SUPI.
4. The AUSF shall then generate the 5G AV from the 5G HE AV received from the UDM/ARPF by computing the HXRES* from XRES* (according to Annex A.5) and KSEAF from KAUSF (according to Annex A.6), and replacing the XRES* with the HXRES* and KAUSF with KSEAF in the 5G HE AV.
5. The AUSF shall then remove the KSEAF and return the 5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*) to the SEAF in a Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response.
6. The SEAF shall send RAND, AUTN to the UE in a NAS message Authentication Request. This message shall also include the ngKSI that will be used by the UE and AMF to identify the KAMF and the partial native security context that is created if the authentication is successful. This message shall also include the ABBA parameter. The SEAF shall set the ABBA parameter as defined in Annex A.7.1. The ME shall forward the RAND and AUTN received in NAS message Authentication Request to the USIM.
NOTE 2: The ABBA parameter is included to enable the bidding down protection of security features.
7. At receipt of the RAND and AUTN, the USIM shall verify the freshness of the received values by checking whether AUTN can be accepted as described in TS 33.102. If so, the USIM computes a response RES. The USIM shall return RES, CK, IK to the ME. If the USIM computes a Kc (i.e. GPRS Kc) from CK and IK using conversion function c3 as described in TS 33.102 , and sends it to the ME, then the ME shall ignore such GPRS Kc and not store the GPRS Kc on USIM or in ME. The ME then shall compute RES* from RES according to Annex A.4. The ME shall calculate KAUSF from CK||IK according to clause A.2. The ME shall calculate KSEAF from KAUSF according to clause A.6. An ME accessing 5G shall check during authentication that the "separation bit" in the AMF field of AUTN is set to 1. The "separation bit" is bit 0 of the AMF field of AUTN.
NOTE 3: This separation bit in the AMF field of AUTN cannot be used anymore for operator specific purposes as described by TS 33.102, Annex F.
8. The UE shall return RES* to the SEAF in a NAS message Authentication Response.
9. The SEAF shall then compute HRES* from RES* according to Annex A.5, and the SEAF shall compare HRES* and HXRES*. If they coincide, the SEAF shall consider the authentication successful from the serving network point of view. If not, the SEAF proceed as described in sub-clause 6.1.3.2.2. If the UE is not reached, and the RES* is never received by the SEAF, the SEAF shall consider authentication as failed, and indicate a failure to the AUSF.
10. The SEAF shall send RES*, as received from the UE, in a Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request message to the AUSF.
11. When the AUSF receives as authentication confirmation the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request message including a RES* it may verify whether the 5G AV has expired. If the 5G AV has expired, the AUSF may consider the authentication as unsuccessful from the home network point of view. Upon successful authentication, the AUSF stores the KAUSF based on the home network operator's policy according to clause 6.1.1.1. AUSF shall compare the received RES* with the stored XRES*. If the RES* and XRES* are equal, the AUSF shall consider the authentication as successful from the home network point of view. AUSF shall inform UDM about the authentication result (see sub-clause 6.1.4 of the present document for linking with the authentication confirmation).
NOTE 4: It is left to implementation to temporarily store the KAUSF received in step 2 in AUSF until the RES* verification is done successfully (i.e., at step 11).
12. The AUSF shall indicate to the SEAF in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response whether the authentication was successful or not from the home network point of view. If the authentication was successful, the KSEAF shall be sent to the SEAF in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response. In case the AUSF received a SUCI from the SEAF in the authentication request (see sub-clause 6.1.2 of the present document), and if the authentication was successful, then the AUSF shall also include the SUPI in the Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response message.
5G AKA의 인증 절차는 다음, 또는 Figure 6.1.3.2-1과 같다.
1. 각 Nudm_Authenticate_Get 요청에 대해 UDM/ARPF는 5G HE AV를 생성해야 한다. UDM/ARPF는 TS 33.102에 정의된 대로 AMF(인증 관리 필드) 분리 비트가 "1"로 설정된 AV를 생성하여 이를 수행한다. 그런 다음 UDM/ARPF는 KAUSF(부속서 A.2에 따라)를 파생하고 XRES*(부속서 A.4에 따라)를 계산한다. 마지막으로 UDM/ARPF는 RAND, AUTN, XRES* 및 KAUSF에서 5G HE AV를 생성해야 한다.
2. 그런 다음 UDM은 Nudm_UEAuthentication_Get 응답에서 5G HE AV가 5G AKA에 사용된다는 표시와 함께 5G HE AV를 AUSF에 반환해야 한다. SUCI가 Nudm_UEAuthentication_Get 요청에 포함된 경우 UDM은 SIDF에 의한 SUCI 은폐 해제 후 Nudm_UEAuthentication_Get 응답에 SUPI를 포함한다.
가입자가 AKMA 구독을 갖고 있는 경우 UDM은 Nudm_UEAuthentication_Get 응답에 AKMA 표시 및 라우팅 표시를 포함해야 한다.
3. AUSF는 수신된 SUCI 또는 SUPI와 함께 XRES*를 임시로 저장해야 한다.
4. 그런 다음 AUSF는 XRES*(부속서 A.5에 따라)에서 HXRES*를 계산하고(부속서 A.6에 따라) KAUSF에서 KSEAF를 계산하여 UDM/ARPF에서 수신한 5G HE AV에서 5G AV를 생성해야 한다. 5G HE AV에서는 XRES*를 HXRES*로, KAUSF를 KSEAF로 교체한다.
5. 그런 다음 AUSF는 KSEAF를 제거하고 Nausf_UEAuthentication_Authenticate 응답을 통해 5G SE AV(RAND, AUTN, HXRES*)를 SEAF에 반환해야 한다.
6. SEAF는 NAS 메시지 인증 요청을 통해 RAND, AUTN을 UE에 전송해야 한다. 이 메시지에는 UE와 AMF가 KAMF를 식별하는 데 사용할 ngKSI와 인증이 성공한 경우 생성되는 부분 기본 보안 컨텍스트도 포함된다. 이 메시지에는 ABBA 매개변수도 포함된다. SEAF는 부록 A.7.1에 정의된 대로 ABBA 매개변수를 설정해야 한다. ME는 NAS 메시지 인증 요청에서 수신한 RAND 및 AUTN을 USIM으로 전달해야 한다.
참고 2: ABBA 매개변수는 보안 기능의 입찰 하향 보호를 활성화하기 위해 포함된다.
7. RAND 및 AUTN을 수신하면 USIM은 TS 33.102에 설명된 대로 AUTN을 수락할 수 있는지 여부를 확인하여 수신된 값의 최신성을 확인해야 한다. 그렇다면 USIM은 응답 RES를 계산한다. USIM은 RES, CK, IK를 ME에 반환해야 한다. USIM이 TS 33.102에 설명된 대로 변환 함수 c3을 사용하여 CK 및 IK로부터 Kc(즉, GPRS Kc)를 계산하고 이를 ME로 보내는 경우, ME는 그러한 GPRS Kc를 무시하고 USIM 또는 ME에 GPRS Kc를 저장하지 않아야 한다. 그러면 ME는 부록 A.4에 따라 RES로부터 RES*를 계산해야 한다. ME는 A.2절에 따라 CK||IK로부터 KAUSF를 계산해야 한다. ME는 A.6절에 따라 KAUSF에서 KSEAF를 계산해야 한다. 5G에 접속하는 ME는 인증 시 AUTN의 AMF 필드에 있는 "분리 비트"가 1로 설정되어 있는지 확인해야 한다. "분리 비트"는 AUTN의 AMF 필드의 비트 0이다.
참고 3: AUTN의 AMF 필드에 있는 이 분리 비트는 TS 33.102, Annex F에 설명된 대로 운영자 특정 목적으로 더 이상 사용할 수 없다.
8. UE는 NAS 메시지 인증 응답에서 RES*를 SEAF에 반환해야 한다.
9. 그런 다음 SEAF는 부록 A.5에 따라 RES*에서 HRES*를 계산하고 SEAF는 HRES*와 HXRES*를 비교해야 한다. 일치하는 경우 SEAF는 서비스 네트워크 관점에서 인증이 성공한 것으로 간주해야 한다. 그렇지 않은 경우 SEAF는 하위 6.1.3.2.2절에 설명된 대로 진행된다. UE에 도달하지 못하고 RES*가 SEAF에 의해 수신되지 않으면 SEAF는 인증을 실패한 것으로 간주하고 AUSF에 실패를 표시해야 한다.
10. SEAF는 UE로부터 수신된 RES*를 Nausf_UEAuthentication_Authenticate 요청 메시지에서 AUSF로 전송해야 한다.
11. AUSF는 RES*가 포함된 Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request 메시지를 인증 확인으로 수신하면 5G AV가 만료되었는지 확인할 수 있다. 5G AV가 만료된 경우 AUSF는 홈 네트워크 관점에서 인증 실패로 간주할 수 있다. 인증에 성공하면 AUSF는 6.1.1.1절에 따라 홈 네트워크 사업자의 정책에 따라 KAUSF를 저장한다. AUSF는 수신된 RES*를 저장된 XRES*와 비교한다. RES*와 XRES*가 동일한 경우 AUSF는 홈 네트워크 관점에서 인증이 성공한 것으로 간주해야 한다. AUSF는 인증 결과에 대해 UDM에 알려야 한다(인증 확인과의 연결에 대해서는 본 문서의 하위 6.1.4절 참조).
참고 4: RES* 검증이 성공적으로 완료될 때까지(즉, 11단계에서) AUSF의 2단계에서 수신된 KAUSF를 임시로 저장하는 것은 구현에 달려 있다.
12. AUSF는 홈 네트워크 관점에서 인증이 성공했는지 여부를 Nausf_UEAuthentication_Authenticate 응답으로 SEAF에 표시해야 한다. 인증이 성공하면 KSEAF는 Nausf_UEAuthentication_Authenticate 응답을 통해 SEAF로 전송된다. AUSF가 인증 요청(본 문서의 하위 절 6.1.2 참조)에서 SEAF로부터 SUCI를 수신하고 인증이 성공한 경우 AUSF는 Nausf_UEAuthentication_Authenticate 응답 메시지에 SUPI도 포함해야 한다.
Authentication Method가 5G AKA으로 선택된 경우, 상기의 도면과 같이 사용자 인증 과정을 수행한다. 복호된 사용자 정보를 기반으로 ARPF(Authentication credential Repository Processing Function)에 저장된 사용자의 최상위 키 값을 이용하여 AUSF (Authentication Server Function) Key와 5G HE AV (Home Environment Authentication Vector)를 생성한다. AUSF에서는 UDM(Unified Data Management)으로 부터 전달받은 5G HE AV로부터 5G AV를 생성하고, 이 중에서 SEAF Key를 제외한 5G SE AV(Serving Environment Authentication Vector)를 SEAF에 전달한다. SEAF는 5G SE AV의 HXRES* 값을 제외한 값을 포함한 Authenticate Request 메시지를 단말에 전달한다. 단말에서는 수신한 RAND 값과 단말의 USIM에 저장된 최상위 키 등을 이용하여 AUTN을 생성하고, 이 값이 SEAF로부터 전달받은 AUTN과 같은지를 검증함으로써 망을 인증한다. 그 다음으로 단말 인증에 사용될 RES* 값과 단말에서 사용될 AUSF Key와 SEAF Key를 순차적으로 생성한 다음, RES*를 Authenticate Response 메시지를 통해 SEAF로 전달한다. SEAF는 단말이 전송한 RES*를 이용하여 HRES*를 얻은 다음, AUSF로부터 전달받았던 5G SE AV의 HXRES* 값과 비교하여 단말을 인증한다. 즉, 단말에 서비스를 제공하는 망(SN) 입장에서 단말을 인증한다. 단말 인증을 완료한 SEAF는 단말에서 받은 RES*를 다시 AUSF에 전 달하며, AUSF는 UDM으로부터 전달받았던 5G HE AV의 XRES* 값과 비교함으로써 홈망(HN) 입장에서 단말을 재차 인증한다. 인증이 성공적으로 완료된 후, AUSF는 단말이 접속한 망(SN)의 SEAF로 가입자의 신원정보인 SUPI와 SEAF Key를 전달하고 UDM에는 인증결과를 보고한다
5G-AKA 절차의 특징은 4G EPS-AKA 절차의 약점을 보완한 것이다. 먼저 SUCI를 이용하여 초기 무선구간에서의 가입자 신원정보 탈취를 방지하였으며, 단말 인증과정에 있어 단말이 접속하여 서비스를 제공받고 있는 망(SN)뿐만 아니라 단말이 가입하고 있는 홈망 (HN)으로부터 동시에 인증을 받음으로써 인증을 한층 강화한 점이다. 또한 홈망에 의한 인증까지 완료되어야 가입자의 신원정보인 SUPI가 단말이 접속하고 있는 망 (SN)으로 전달되도록 하고 이 SUPI가 있어야만 AMF Key를 생성할 수 있도록 함으로써, 홈망의 인증 없이 단 말이 접속한 망이 독자적으로 인증절차를 완료하고 후 속 키 공유 및 보안 컨텍스트 설정 절차를 진행하는 일련의 비정상 절차가 진행될 수 있는 여지를 차단한다.
도 28은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 SUCI 구조의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 28은 (3GPP TS 23.003 v18.2) Figure 2.2B-1: Structure of SUCI를 나타낸다.
도 27의 동작에서 초기 무선구간에서 가입자 신원정보 탈취를 방지하기 위해서, 단말은 사전에 신뢰할 수 있는 방법으로 HN의 Public Key를 보유한 상태에서, 보내고자 하는 가입자 신원정보를 Public Key Encryption하여 SUCI를 구성해야 한다. SUCI 정보는 도 28과 같이 구성된다.
The SUCI is composed of the following parts:
1) SUPI Type, consisting in a value in the range 0 to 7. It identifies the type of the SUPI concealed in the SUCI. The following values are defined:
- 0: IMSI
- 1: Network Specific Identifier (NSI)
- 2: Global Line Identifier (GLI)
- 3: Global Cable Identifier (GCI)
- 4 to 7: spare values for future use.
2) Home Network Identifier, identifying the home network of the subscriber.
When the SUPI Type is an IMSI, the Home Network Identifier is composed of two parts:
- Mobile Country Code (MCC), consisting of three decimal digits. The MCC identifies uniquely the country of domicile of the mobile subscription;
- Mobile Network Code (MNC), consisting of two or three decimal digits. The MNC identifies the home PLMN or SNPN of the mobile subscription.
When the SUPI type is a Network Specific Identifier (NSI), a GLI or a GCI, the Home Network Identifier consists of a string of characters with a variable length representing a domain name as specified in clause 2.2 of IETF RFC 7542. For a GLI or a GCI, the domain name shall correspond to the realm part specified in the NAI format for SUPI in clauses 28.15.2 and 28.16.2.
3) Routing Indicator, consisting of 1 to 4 decimal digits assigned by the home network operator and provisioned in the USIM, that allow together with the Home Network Identifier to route network signalling with SUCI to AUSF and UDM instances capable to serve the subscriber.
Each decimal digit present in the Routing Indicator shall be regarded as meaningful (e.g. value "012" is not the same as value "12"). If no Routing Indicator is configured on the USIM or the ME, this data field shall be set to the value 0 (i.e. only consist of one decimal digit of "0").
4) Protection Scheme Identifier, consisting in a value in the range of 0 to 15 (see Annex C.1 of 3GPP TS 33.501). It represents the null scheme or a non-null scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501 or a protection scheme specified by the HPLMN; the null scheme shall be used if the SUPI type is a GLI or GCI.
5) Home Network Public Key Identifier, consisting in a value in the range 0 to 255. It represents a public key provisioned by the HPLMN or SNPN and it is used to identify the key used for SUPI protection. This data field shall be set to the value 0 if and only if null protection scheme is used;
6) Scheme Output, consisting of a string of characters with a variable length or hexadecimal digits, dependent on the used protection scheme, as defined below. It represents the output of a public key protection scheme specified in Annex C of 3GPP TS 33.501 or the output of a protection scheme specified by the HPLMN.
SUCI는 다음과 같은 부분으로 구성된다.
1) SUPI 유형, 0~7 범위의 값으로 구성된다. SUCI에 숨겨진 SUPI 유형을 식별한다. 다음 값이 정의된다.
- 0: IMSI
- 1: 네트워크 특정 식별자(NSI)
- 2: 글로벌 라인 식별자(GLI)
- 3: 전역 케이블 식별자(GCI)
- 4 ~ 7: 향후 사용을 위한 예비 값이다.
2) 홈 네트워크 식별자, 가입자의 홈 네트워크를 식별한다.
SUPI 유형이 IMSI인 경우 홈 네트워크 식별자는 두 부분으로 구성된다.
- 모바일 국가 코드(MCC)는 소수점 세 자리로 구성된다. MCC는 모바일 가입의 거주 국가를 고유하게 식별한다.
- MNC(모바일 네트워크 코드)는 소수점 이하 2자리 또는 3자리로 구성된다. MNC는 모바일 가입의 홈 PLMN 또는 SNPN을 식별한다.
SUPI 유형이 NSI(네트워크 특정 식별자), GLI 또는 GCI인 경우 홈 네트워크 식별자는 IETF RFC 7542의 2.2절에 지정된 도메인 이름을 나타내는 가변 길이의 문자열로 구성된다. GLI의 경우 또는 GCI인 경우 도메인 이름은 28.15.2 및 28.16.2절의 SUPI에 대한 NAI 형식에 지정된 영역 부분과 일치해야 한다.
3) 홈 네트워크 운영자가 할당하고 USIM에 제공되는 1~4자리의 십진수로 구성된 라우팅 표시기. 홈 네트워크 식별자와 함께 SUCI를 사용하여 네트워크 신호를 가입자에게 서비스를 제공할 수 있는 AUSF 및 UDM 인스턴스로 라우팅할 수 있다.
라우팅 표시기에 있는 각 십진수는 의미 있는 것으로 간주됩니다(예: 값 "012"는 값 "12"와 동일하지 않음). USIM 또는 ME에 라우팅 표시기가 구성되지 않은 경우 이 데이터 필드는 값 0으로 설정되어야 한다(즉, "0"의 십진수 한 자리로만 구성됨).
4) 0~15 범위의 값으로 구성된 보호 체계 식별자(3GPP TS 33.501의 Annex C.1 참조). 3GPP TS 33.501의 Annex C에 명시된 null 방식, non-null 방식 또는 HPLMN에서 지정한 보호 방식을 나타낸다. SUPI 유형이 GLI 또는 GCI인 경우 널 체계를 사용해야 한다.
5) 홈 네트워크 공개 키 식별자로, 0~255 범위의 값으로 구성된다. 이는 HPLMN 또는 SNPN에서 제공하는 공개 키를 나타내며 SUPI 보호에 사용되는 키를 식별하는 데 사용된다. 이 데이터 필드는 널 보호 체계가 사용되는 경우에만 값 0으로 설정되어야 한다.
6) 아래 정의된 대로 사용된 보호 체계에 따라 가변 길이 또는 16진수 숫자의 문자열로 구성된 체계 출력. 3GPP TS 33.501의 Annex C에 명시된 공개키 보호 방식의 출력 또는 HPLMN에서 지정한 보호 방식의 출력을 나타낸다.
상기에서 Scheme Output part에 해당하는 내용은 protection scheme에 따라 다르게 구성될 수 있으며, Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme이 사용된 경우 도 29 또는 도 30과 같이 구성될 수 있다.
도 29는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 타원 곡선 통합 암호화 체계 프로필 A에 대한 체계 출력의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 29는 (3GPP TS 23.003 v18.2) Figure 2.2B-3: Scheme Output for Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme Profile A를 나타낸다.
도 30은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 타원 곡선 통합 암호화 체계 프로필 B에 대한 체계 출력의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 30은 (3GPP TS 23.003 v18.2) Figure 2.2B-4: Scheme Output for Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme Profile B를 나타낸다.
상기의 SUCI 구조에서 Ciphertext value를 decryption 할 수 있는 주체는 HN의 Private Key를 보유한 UDM의 SIDF이다. 하지만 Quantum Computer의 발전과 Quantum Algorithm의 발전에 의해 상기 Public Key Encryption을 사용하는 시스템은 보안성에 위협을 받을 수 있다. 일반적으로 비대칭키 기반 보안 시스템에서 활용되는 RSA(RIVEST?SHAMIR?ADLEMAN) 또는 ECC (Elliptic Curve Cryptography)기반 암호화 방식은 Shor Algorithm의 병렬 연산에 의해 유효시간 안에 해석이 가능함은 이론적으로 밝혀져 있다. RSA 2048 bit의 경우, 2000만개의 noisy qubit에 의해 8시간안에 factoring이 가능하고 [“How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits” Quantum 5, 433 (2021)], 다중 병렬화된 quantum memory를 기반으로 13436개의 Qubit만으로 177일 안에 factoring 됨을 분석한 연구[“Factoring 2048-bit RSA Integers in 177 Days with 13,436 Qubits and a Multimode Memory” PRL, (2021)]가 발표되었다. 이러한 Quantum Algorithm에 의한 비대칭키 암호화 시스템의 붕괴는 비대칭키 암호화를 기반으로 하는 보안 통신 시스템에 심각한 위협이 된다.
이러한 보안 위협을 방지하기 위해 PQC (Post Quantum Cryptography) 기술이 대두되고 있으나, 연산 복잡도를 기반한 모든 비대칭키 시스템은 새로운 Quantum Algorithm의 출현에 의해 위협받을 수 있는 문제를 필연적으로 가지고 있다. 또한, 새로운 보안 시스템으로의 전환은 전체 장치에서 새로운 보안 기술이 적용되기 위해 높은 기술적 부담을 가질 수 있다.
따라서, 비대칭키 시스템을 유지하면서, Quantum Algorithm의 위협에 대처할 수 있는 방식이 필요하다. 이를 위해, Public Key를 주기적으로 Update 함으로써 Quantum Algorithm에 의해 Trapdoor가 누설되는 문제를 적응적으로 방지할 수 있다. 이를 통해, Quantum Algorithm에 의해 Plaintext Attack이 이루어지더라도 실시간 누설이 이루어지지 않게 한다. 하지만, 실시간 누설이 이루어지지 않더라도 공격자는 Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL) Attack을 통해, 추후 Plaintext Attack을 수행할 수 있다. 결과적으로 Public Key의 유효시간을 한정하는 방법만으로는 근본적인 정보 보안을 달성할 수 없다.
본 개시에서는 양자의 복제 불가능성(No-cloning Theorem)과 양자 결맞음 시간(Quantum Coherence Time)을 기반으로 물리적인 정보 보안을 달성하는 방법을 제안한다.
본 개시의 다양한 실시 예들의 구성
Quantum Coherence Time based Quantum Public Key Infrastructure
본 개시에서는 양자의 복제 불가능성(No-cloning Theorem)과 혼합 양자 오류율 검사 (Hybrid Quantum Bit Error Rate Check)을 기반으로 물리적인 보안을 제공하는 Quantum Public Key Infrastructure (QPKI) 시스템을 제안한다.
본 개시에서 제안하는 기술의 목적은 Quantum Public Key를 사전에 공유하지 않고 실시간으로 공유하면서, 고전 PKI 시스템과 결합하여 Quantum Public Key를 검증하여, Quantum Public Key Encryption으로 물리적 보안성을 제공한다. Quantum Public Key에 대한 고전 PKI 검증을 통해 Man-in-the-Middle Attack을 방지한다. Quantum Memory의 발전에 의해 양자 결맞음 시간이 증대되더라도 양자 오류율 검사를 통해 Harvest-Now-Decrypt-Later (HNDL) Attack을 방지한다.
본 개시에서 제안하는 기술에서는 1) Classical PKI 시스템은 Classical Public Key를 신뢰할 수 있는 방법으로 공유하였다고 가정한다. 여기서, 초기 Classical Public Key의 신뢰할 수 있는 방법으로의 공유는 일반적으로 Out-of-verification으로 Classical Public Key를 입수하는 것을 의미한다. 예를 들어, 3GPP 통신 시스템에서 HN의 Classical Public Key는 단말의 초기 USIM 등록 단계에서 입수된다. (TS 33.501 5.2.5 subscriber privacy: The Home Network Public Key shall be stored in the USIM.) 2) Classical PKI 시스템은 새로운 Public Key를 신뢰할 수 있는 방법으로 갱신할 수 있다고 가정한다. 3. 양자 알고리즘 등에 의한 특정 Classical PKI 시스템 A의 특정 Classical Public Key K의 trapdoor가 누설되기 까지 필요한 요구 시간이 최소 X라고 가정한다. 4. 양자 상태의 양자 결맞음 시간은 최대 Y시간 동안 유지된다고 가정한다. 4. Quantum Memory의 발전에 의해 양자 결맞음 시간이 증대되어, X < Y의 관계를 갖는다.
1. (HN-UE) 신뢰할 수 있는 방법으로 Classical Public Key의 공유 및 갱신
HN과 UE는 신뢰할 수 있는 방법으로 Classical Public Key를 공유하고, X 시간 이내에 갱신한다.
Classical Public Key의 신뢰할 수 있는 방법으로의 공유는 Out-of-verification으로 Classical Public Key를 입수하는 것을 의미한다. 예를 들어, 3GPP 통신 시스템에서 HN의 Classical Public Key는 단말의 초기 USIM 등록 단계에서 입수된다.
Classical Public Key의 신뢰할 수 있는 방법으로의 갱신은 Public Key Update System을 사용한다. Public Key Update System은 하기와 같이 5 단계로 구성될 수 있다.
(1) (단계 1) (HN) Public Key 유효시간 T 및 Public Key Update 주기 R 설정
HN은 Public Key의 안정성을 위협하는데 걸리는 시간 X보다 작은 Public Key 유효시간 Threshold T를 설정한다. 유효시간 Threshold T는 HN에 의해 실시간으로 결정될 수 있으며, UDM에 저장된다.
HN은 Public Key의 Update Period R을 설정한다. Update Period R은 HN에 의해 실시간으로 결정될 수 있으며, UDM에 저장된다.
(2) (단계 2) (HN) 주기적인 Key Pair 생성
HN은 사용하는 공개키 시스템 (예를 들어, Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme (ECIES) in 3GPP TS 33.501)의 Key Pair 를 주기적으로 생성한다. 여기서, 는 n번째 Key Pair의 Secret Key (또는 Private Key)를 의미하고, 는 n 번째 Key Pair의 Public Key를 의미한다.
주기적으로 생성한 Key Pair는 생성 순서에 맞춰 HN의 UDM에서 저장한다. (TS 33.501 5.8.2 Subscriber privacy related requirements to UDM and SIDF: The Home Network Private Key used for subscriber privacy shall be protected from physical attacks in the UDM. The UDM shall hold the Home Network Public Key Identifier(s) for the private/public key pair(s) used for subscriber privacy.)
HN에서 생성한 Key Pair의 생성시간(Generated Time)에 대한 Time Stamp를 UDM에 저장한다.
HN에서 생성한 Key Pair의 폐기시간(Expired Time)에 대한 Time Stamp를 UDM에 저장한다.
HN에서 생성하는 Key Pair는 기존에 사용하지 않았던 Key Pair로 한정될 수 있다.
상기에서 Key Pair의 생성은 Key를 Update하는 주기 R과 다를 수 있다. 예를 들어, Key Pair의 생성은 Key Update 주기와 무관하게 UDM내에서 지속적으로 수행되어 저장될 수 있다. Public Key Update 를 위한 Key pair는 UDM에 순차적으로 저장되어 있는 Key Pair를 차례대로 사용할 수 있다.
(3) (단계 3) (HN) Updated Public Key Encryption
HN은 이전에 공개하여 사용하고 있는 Key Pair의 Secret Key 로 새로 생성한 Key Pair에서 공개하려는 Public Key 를 Encryption하여 Renewal Key Block(RKB)을 생성한다. RKB는 하기의 정보를 포함할 수 있다.
(3-1) Renewal Key Block(RKB)
(3-1-1) Home Network Identifier
(3-1-1-1)Home Network 식별자로 어느 HN의 Public Key를 Renewal 하는지 알려준다.
(3-1-2) Protection Scheme ID (Protection Scheme Identifier)
(3-1-2-1) Updated Public Key를 Encryption/Decryption 하는 암호화 방법에 대한 식별자로 암호화 방법들은 사전에 정의되어 있다.
(3-1-3) Home Network Public Key ID (Home Network Public Key Identifier)
(3-1-3-1) Home Network Public Key 대한 식별자로 Home Network Public Key 들 중 어느 key의 Renewal 인지를 알려준다.
(3-1-4) Basis P-Key (Basis Public Key)
(3-1-4-1) Updated P-Key를 Decryption할 때 사용하는 Basis P-Key로, Home Network Public Key ID에 해당하는 그리고 이전 주기에 사용하고 있는 HN의 Public Key 이다.
(3-1-4-2) 예를 들어, 현재 Public Key 주기를 지칭하는 Index가 n이라면, 이전 주기에 해당하는 HN의 Public Key는 이다.
(3-1-5) Encrypted P-Key (Encrypted Public Key)
(3-1-5-1) Protection Scheme ID 에 해당하는 암호화 기법으로 Basis Secret 에 의해 암호화된 HN의 Updated Public Key 이다.
(3-1-5-1-1) 여기서, 는 으로 를 암호화 하였음을 의미한다.
(3-1-5-2) Encrypted P-Key 는 Basis P-key로 복호화 하면, 를 얻을 수 있다.
(3-1-5-2-1) 여기서, 는 으로 를 복호화 하였음을 의미한다.
(3-1-6) Validity Information (유효성 정보)
(3-1-6-1) Validity Information은 Renewal Key Block의 정보가 유효한 시간을 알려준다.
(4) (단계 4) (HN) Updated Public Key Broadcasting
UDM에서 생성 및 관리되는 Renewal Key Block (RKB) 는 공개채널을 통해 모든 사용자에게 Broadcasting된다. UDM에서 생성한 RKB는 SEAF를 거쳐 gNB를 통해 모든 사용자에게 알려질 수 있다.
여기서, 공개 채널은 Physical Layer Message를 전달하는 Physical Channel일 수 있다. 예를 들어, Master Information Block (MIB)를 전달하는 Physical Broadcast Channel (PBCH) 또는 System Information Block (SIB)를 전달하는 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) 일 수 있다.
또는, 공개채널은 상위 Layer Message를 전달하는 상위 Layer Channel일 수 있다.
(5) (단계 5) (UE) 갱신 공개키 Decryption
모든 UE는 Broadcasting되는 RKB를 수신 받아, 기존에 가지고 있던 HN의 Public Key로 RKB의 Encrypted P-Key를 Decryption한다.
(5-1) 모든 UE는 수신한 RKB에서 자신의 Home Network ID가 맞는지 확인하고, 기존에 가지고 있던 HN의 Public Key와 RKB의 Basis Public Key를 비교하여 일치 하는지 확인한다.
(5-1-1) 기존에 가지고 있던 HN의 Public Key와 RKB의 Basis Public Key가 일치하는 경우, RKB에서 지시하는 Protection Scheme과 Basis Public Key로 Encrypted P-Key를 Decryption한다.
(5-1-1-1) 기존에 가지고 있던 HN의 Public Key는 Decryption된 Updated P-Key로 교체된다.
(5-1-2) 기존에 가지고 있던 HN의 Public Key와 RKB의 Basis Public Key가 일치하지 않는 경우, 별도의 Out-of-Verification을 통해 Updated Public Key를 수신한다.
따라서, HN과 UE는 X 시간 동안은 Classical Public Key를 통한 Data Encryption을 수행할 수 있고, 이 시간 동안은 보안성의 위협을 받지 않는다. 단, HNDL Attack을 방지하지는 않는다.
2. (UE) Request Quantum Public Key
UE는 HN으로 보안 정보 전송이 필요할 때, HN에게 Quantum Public Key 전송을 요청한다. Quantum Public Key의 전송 요청은 고전 채널로 요청될 수 있으며, 보안 채널이 아닌 공개 채널로 요청될 수 있다. 공개 채널은 Physical Layer Message를 전달하는 Physical Channel일 수 있다. 예를 들어, Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) 또는 Physical Uplink Control Channel (PUCCH)일 수 있다. 또는, 상위 Layer Message를 전달하는 상위 Layer Channel일 수 있다.
Quantum Public Key의 전송 요청은 Serving Network (SN)을 통해 수신될 수 있으므로, HN의 Quantum Public Key를 요청하기 위해, HN의 정보를 포함하여 요청될 수 있다.
Quantum Public Key의 전송 요청은 요구되는 Quantum Public Key의 길이를 포함하여 요청될 수 있다.
3. (HN) Quantum Public Key의 생성
HN은 UE에게 공유할 Quantum Public Key를 생성한다. Quantum Public Key는 Private Key에 의해 생성되며, Private Key는 Logical Information일 수 있다. Quantum Public Key는 하기와 같은 두 가지 Type으로 생성된 Quantum 상태를 의미한다.
(1) Single Qubit based Public Key
(1-1) HN은 Initial Quantum State를 갖는 Single Qubit을 생성한다.
(1-1-1) 예를 들어, Initial Quantum State를 또는 으로 설정할 수 있다.
(1-2) HN은 Random Number Generator를 통해 생성한 Logical Information을 Private Key로 보유한다. 해당 정보는 외부에 공개되지 않는 Secret 정보이다.
(1-2-1) 예를 들어, 임의의 자연수 n을 선택할 수 있다. 여기서 n은 사전에 정의된 특정 Threshold N보다 작은 수이다.
(1-2-2) 상기에서 Random Number Generator는 Quantum Random Number Generator등을 통한 Pure Random Number를 생성할 수 있다.
도 31a은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Qubit Rotation에 의한 변조의 일례를 도시한 도면이다.
(1-3) HN은 임의의 자연수 n을 기반으로 Initial Quantum State를 변조하여 Quantum Public Key 를 생성한다.
(1-3-1) 예를 들어, Initial Quantum State가 일 때, 자연수 n에 해당하는 Qubit Rotation을 변조한다: .
(1-3-1-1) 여기서, 으로 Qubit Rotation에 대한 Unitary 연산을 의미한다.
(1-3-1-2) Qubit Rotation은 Initial Quantum State 과 Orthogonal한 Quantum State 사이의 Phase Rotation을 의미한다.
(1-3-1-3) 여기서 Qubit Rotation은 Initial Quantum State 과 사이에서 z 축 Phase Rotation이 일어남을 의미한다. 이 때 사용될 수 있는 축은 x, y, z 모두 가능하다. 다만, Initial Quantum State 과 이 z축 상에 있는 경우, x축 또는 y축 회전만 사용할 수도 있다.
(1-4) Private Key n 에 의해 변조된 Public Key 을 UDM에 저장한다.
(1-5) 같은 방법으로 다수개의 Private Key 와 Public Key 를 생성하고 저장한다.
(1-6) 여기서 i는 Key의 Index이다.
(2) Entanglement based Public Key
(2-1) HN은 Initial Bell State를 갖는 Entanglement State를 생성한다.
(2-1) 예를 들어, Initial Bell State를 4가지 Bell State 중 하나로 설정할 수 있다.
(2-1-1)
(2-1-2)
(2-1-3)
(2-1-4)
(2-2) 상기에서 A는 Bell State를 구성하는 Qubit Pair (또는 Bell Pair)의 첫 번째 particle을 의미하고, B는 두 번째 particle을 의미한다.
(2-2) HN은 Random Number Generator를 통해 생성한 Logical Information을 Private Key로 보유한다. 해당 정보는 외부에 공개되지 않는 Secret 정보이다.
(2-2-1) 예를 들어, 임의의 자연수 n을 선택할 수 있다. 여기서 n은 사전에 정의된 특정 Threshold N보다 작은 수이다.
(2-2-2) 상기에서 Random Number Generator는 Quantum Random Number Generator등을 통한 Pure Random Number를 생성할 수 있다.
도 31b은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Pauli 연산자의 일례를 도시한 도면이다.
(2-3) HN은 임의의 자연수 n을 기반으로 Initial Bell State를 변조하여 Quantum Public Key를 생성한다.
(2-3-1) 예를 들어, Initial Bell State가 일 때, 하나의 Particle에 자연수 n에 해당하는 Unitary 연산을 가한다.
(2-3-1-1) 예를 들어, Public Key로 활용하고자 하는 Particle이 첫 번째 Particle인 경우, 첫 번째 Particle에만 Unitary 연산을 가한다.
(2-3-1-2) 여기서 Unitary 연산은 Pauli 연산일 수 있다. Pauli 연산은 Pauli X, Y, Z, I로 대변되는 연산으로 양자 상태의 변조를 의미한다.
(2-3-1-3) Pauli 연산자 X, Y, Z는 x, y, z 축에 따른 스핀의 측정 값에 대응하며 도 31b와 같이 표현된다. 도 31b는 파울리 연산자(Pauli operator)를 나타낸다. 각각의 연산자는 다음과 같은 성질을 가진다. X 연산자는 고전적인 not 연산(bit Flip), Z는 Phase를 변환시키는 연산, Y(=XZ)는 둘의 Combination 연산을 각각 수행한다.
(2-3-2) 또는 예를 들어, 하나의 Initial Bell State가 이고, 또 다른 하나의 Initial Bell State가 일 때, 자연수 n에 해당하는 Permutation 연산을 두 개 또는 그 이상의 Initial Bell State 연산에 가한다.
(2-4) Private Key n 에 의해 변조된 Key 을 UDM에 저장한다.
(2-4-1) 여기서 I는 Pauli I를 의미한다. Initial Bell State 는 와 로 구분해서 쓸 수 있고, 는 Initial Bell State의 첫 번째 Particle을 의미하고, 여기서, 는 Initial Bell State의 두 번째 Particle을 의미한다.
(2-4-2) 여기서, 는 변조된 Bell State의 첫 번째 Particle로써 Quantum Public Key이고, 는 변조되지 않은 두 번째 Particle로써 Quantum Secret Key이다.
(2-5) 같은 방법으로 다수개의 Quantum Secret Key와 Quantum Public Key Pair 를 생성하고 저장한다.
(2-5-1) 여기서 i는 Key의 Index이다.
상기의 Quantum Public Key의 생성에 의해 생성된 Quantum Public Key는 항상 N가지 상태 중 한가지로 한정될 수 있다. 예를 들어, N=4 일 수 있다. 이 때, Quantum Public Key의 Quantum State가 4가지 편광 상태를 나타내는 Basis로 구성될 수 있다. 편광 상태가 0°, 45°, 90°, 135°의 4가지로 표현될 수 있고, 0°, 90°는 직교 기저 (Rectilinear Basis)로 +로 표시할 수 있고, 45°, 135°는 대각 기저 (Cross Basis)로 ×로 표시할 수 있다.
상기에서 Quantum Public Key의 생성은 UE로부터 Request of Quantum Public Key를 받은 시점에 수행될 수 있다.
상기에서 Quantum Public Key의 생성은 UE로부터 Request of Quantum Public Key를 받은 시점과 무관하게, 사전에 HN에서 생성되어 Quantum Memory에 저장되어 있을 수 있다.
4. (HN-UE) Quantum Public Key의 전송
HN은 UE에게 Quantum Public Key를 전송한다. 이 때, Quantum Public Key 는 Single Qubit based Public Key 또는 Entanglement based Public Key의 첫 번째 Particle 일 수 있다. 여기서, Quantum Public Key 전송은 양자 채널을 통해서 전송된다.
Quantum Public Key 전송은 UE의 Request of Quantum Public Key에 포함된 Quantum Public Key의 길이 정보를 기반으로 Quantum Public Key 길이가 설정되어 전송될 수 있다.
Quantum Public Key 전송은 시스템에서 사전에 정의한 길이의 단위로 Quantum Public Key 길이가 설정되어 전송될 수 있다. 여기서, 사전에 정의한 길이의 단위는 Header 정보로써 Quantum Public Key를 전송하는 신호와 함께 전송될 수 있다.
5. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit과 측정 Basis Selection
UE는 Hybrid QBER Check을 위해 HN으로부터 수신한 전체 Quantum Public Key 중에서 Qubit Selection과 측정 Basis Selection을 수행한다.
UE의 Hybrid QBER Check을 위한 Qubit의 선택 수는 전체 Quantum Public Key 길이에 대해서, 사전에 약속되어 정해질 수 있다. 예를 들어, 전체 Quantum Public Key 길이 L에 대해서, x % 에 해당하는 Qubit 수 을 Random하게 Selection 할 수 있다. Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Qubit Index (또는 Quantum Public Key Index)는 으로 표현할 수 있다. 여기서, IS는 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Qubit Index Set이고, I는 전체 Quantum Public Key의 Index Set이다.
UE의 Hybrid QBER Check을 위한 측정 Basis의 선택은 상기에서 선택된 Qubit들에 대해서, 각각 어떠한 Basis로 측정할지를 결정한다. 여기서, Basis의 종류는 송수신단 사이에 사전에 약속되어 정해질 수 있다. 예를 들어, Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key의 Quantum State가 4가지 편광 상태를 나타내는 0°, 90°의 직교 기저 (Rectilinear Basis) 또는 45°, 135°의 대각 기저 (Cross Basis)라 하자. Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key의 Quantum State를 직교 기저 또는 대각 기저 중 Random하게 선택하여 측정한다. Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key의 측정 Basis는 으로 표현할 수 있다. 여기서, BS는 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Qubit의 측정 Basis Index Set이고, +는 직교 기저, ×는 대각 기저를 나타낸다.
상기에서 Random Selection은 Random Number Generator 등을 통해 수행될 수 있으며, Random Number Generator는 Quantum Random Number Generator등을 통한 Pure Random Number를 생성할 수 있다.
6. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit의 측정 및 Quantum Public Key 저장
UE는 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key를 선택된 측정 Basis로 측정하고, UE는 Hybrid QBER Check을 위해 선택되지 않은 Quantum Public Key를 Quantum Memory에 저장한다.
UE는 상기에서 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key Index Set IS에 대응하는 Quantum Public Key 를 측정 Basis Index Set B^S으로 측정한다:
여기서, 은 의 Quantum State를 B1로 Qubit Rotation하여 측정함을 의미한다. 즉, 구현적으로는 의 Initial State 가 편광 0°에 해당한다고 할 때, B1이 직교 기저이면 는 Identity Operator이고, B1이 대각 기저이면 편광 축에 대하여 이다. 여기서,은 선택된 In번째 Quantum Public Key를 Bn의 Basis로 측정하였을 때의 결과로 이다.
UE는 상기에서 Hybrid QBER Check을 위해 선택되지 않은 Quantum Public Key Index Set 에 대응하는 Quantum Public Key 를 Quantum Memory에 저장한다.
7. (UE) Hybrid QBER Check Information의 Encryption
UE는 HN과 사전에 공유하고 갱신한 Classical Public Key를 기반으로 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key Index 정보와 측정 Basis 정보를 Encryption한다.
UE는 1. (HN-UE) 신뢰할 수 있는 방법으로 Classical Public Key의 공유 및 갱신에서 HN에게 공유 받고 갱신된 Classical Public Key 를 기반으로 5. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit과 측정 Basis Selection에서 선택한 Quantum Public Key Index 정보와 측정 Basis 정보를 Encryption 한다. 이 때, Encryption 방식은 사전에 약속된 Classical Public Key Encryption 방식을 사용하여, Encrypted Hybrid QBER Check Information: 를 획득한다. 여기서, 는 로 IS와 BS를 Encryption하였음을 의미하며, IS와 BS는 5. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit과 측정 Basis Selection에서 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key Index Set 정보, Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Quantum Public Key 의 측정 Basis Set 정보 전체를 포함하는 Information Vector이다: .
8. (UE-HN) Hybrid QBER Check Packet 전송
도 32은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
UE는 고전 채널을 통해 Encrypted Hybrid QBER Check Information을 포함하는 Hybrid QBER Check Packet을 HN에게 전송한다.
(1) 고전 채널을 통해 Hybrid QBER Check Packet을 전송할 때, Hybrid QBER Check Packet의 구조는 도 32와 같다.
(1-1) Hybrid QBER Check Packet은 모두 고전 정보로 구성되며, RF Signal 또는 Optical Signal로 구성될 수 있다.
(1-1-1) 예를 들어, ON/Off Keying (OOK) 또는 Phase/Amplitude/Polarization Modulation 방식 등이 사용될 수 있다.
(1-1-2) Hybrid QBER Check Packe의 Field들은 송수신단 사이에 사전에 약속된 Field 사이즈가 정의될 수 있다.
(1-2) Protection Scheme ID는 Hybrid QBER Check Packet의 Encrypted Hybrid QBER Check Information의 Encryption 방식을 나타내는 Field이다.
(1-2-1) Hybrid QBER Check Packet의 Encrypted Hybrid QBER Check Information를 Encryption/Decryption 하는 암호화 방법에 대한 식별자로 암호화 방법들은 사전에 정의되어 있다.
(1-2-2) 예를 들어, 3GPP TS 33.501의 SUCI 구조의 Protection Scheme Identifier 를 따를 수 있다. (3GPP TS 23.003 2.2B and 33.501 Annex C.1)
(1-2-3) 암호화 방식은 HN에서 사전에 정의되어 공유될 수 있다.
(1-2-4) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 사용되지 않을 수 있다.
(1-2-5) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 기본값 0으로 설정될 수 있다.
(1-3) Home Network Public Key ID는 Hybrid QBER Check Packet의 Encrypted Hybrid QBER Check Information에 사용한 Classical Public Key ID를 나타내는 Field이다.
(1-3-1) Home Network의 Classical Public Key 대한 식별자로 Classical Public Key 들 중 어느 key가 사용 되었는지 알려준다.
(1-3-2) 예를 들어, 3GPP TS 33.501의 SUCI 구조의 Home Network Public Key Identifier 를 따를 수 있다. (3GPP TS 23.003 2.2B)
(1-4) Encrypted Hybrid QBER Check Information은 Protection Scheme ID 에 해당하는 암호화 기법으로 HN의 Classical Public Key에 의해 암호화된 Hybrid QBER Check Information에 대한 Data Field이다.
(1-4-1) Encrypted Hybrid QBER Check Information는 HN의 Classical Public Key 에 의해 암호화된 Hybrid QBER Check Information 정보를 담고 있다.
9. (HN) Hybrid QBER Check Information의 Decryption
HN은 UE로부터 수신한 Hybrid QBER Check Packet을 Decryption하여 Hybrid QBER Check Information을 획득한다.
HN은 Hybrid QBER Check Packet의 Home Network Public Key ID를 기반으로, HN에서 보유하고 있었던 해당 Classical Public Key의 Trapdoor에 해당하는 Classical Private Key를 통해 Encrypted Hybrid QBER Check Information를 Decryption한다. 이 때, Decryption 방식은 Hybrid QBER Check Packet의 Protection Scheme ID를 기반으로 수행된다.
예를 들어, Encrypted Hybrid QBER Check Information 는 의 Trapdoor인 Private Key 에 의해 Decryption 하여 Hybrid QBER Check Information에 해당하는 UE에서 선택한 Quantum Public Key Index 정보 IS와 측정 Basis 정보 BS를 획득한다.
10. (HN) Hybrid QBER Check을 위한 Basis Matching
HN은 UE로부터 수신한 Hybrid QBER Check Packet의 Hybrid QBER Check Information을 기반으로, Quantum Public Key Generation 정보와 비교하여 동일한 Basis를 사용한 Quantum Public Key들을 선별하고, 선별된Quantum Public Key의 Quantum State를 Bit 정보로 정의한다.
HN은 Quantum Public Key를 생성하는 단계에서 각 Quantum Public Key의 Quantum State에 대한 정확한 정보를 보유하고 있으므로, UE로부터 수신한 Hybrid QBER Check Information의 Quantum Public Key Index에 해당하는 생성 Quantum Public Key의 Basis 정보와 Hybrid QBER Check Information의 측정 Basis 정보를 비교한다. 이 때, UE로부터 동일한 Basis가 선택되어 전송된 경우, HN과 UE의 Basis가 Matching되었다고 판단하고, Matching된 Quantum Public Key Index를 선별한다:
여기서, IM은 Basis가 Matching된 Hybrid QBER Check Information의 Index Set이고, IS는 Hybrid QBER Check을 위해 선택된 Qubit Index Set 이다. 은 IS 중에서 Basis가 Matching된 Qubit의 IS Set 내의 Index를 의미한다. 예를 들어, 인 경우, 일 때, 이다.
HN은 Quantum Public Key를 생성하는 단계에서 각 Quantum Public Key의 Quantum State에 대한 정확한 정보를 보유하고 있으므로, Matching된 Quantum Public Key의 측정 정보(또는 Quantum State 정보)를 다음의 수학식 4와 같이 Bit Message로 정의한다:
여기서, 은 Basis가 Matching된 Quantum Public Key의 Bit Message이다.
예를 들어, 상기에서 Quantum Public Key가 0°, 45°, 90°, 135°의 4가지 편광 상태로 구성되었을 때, 직교 기저의 0°는 Bit 0, 90°는 Bit 1로 정의하고, 대각 기저의 45°는 Bit 0, 135°는 Bit 1로 정의한다. 그러면, 이고, 일 때, 이다.
11. (HN-UE) Hybrid QBER Check Response Packet
HN은 고전채널을 통해 동일한 Basis를 사용한 Quantum Public Key Index와 동일한 Basis를 사용한 Quantum Public Key의 Bit 정보를 포함하는 Hybrid QBER Check Response Packet을 UE에게 전송한다.
Hybrid QBER Check Response Packet은 10. (HN) Hybrid QBER Check을 위한 Basis Matching에서 Basis가 Matching된 Hybrid QBER Check Information의 Index 정보 와 Matching된 Quantum Public Key의 Bit Message 를 포함한다. Hybrid QBER Check Response Packet은 IS Set 중에서 Matching된 Index를 재정의하였으므로, IS의 정보를 Decryption할 수 있는 HN과 I^S의 정보를 생성한 UE외에는 X 시간 안에 해당 Quantum Public Key Index를 확인할 수 없어, 별도의 암호화 없이 공개 채널로 전송될 수도 있다.
상기에서 Hybrid QBER Check Response Packet에서 Basis가 Matching된 Hybrid QBER Check Information의 Index 정보 와 Matching된 Quantum Public Key의 Bit Message 은 별도의 암호화를 통해 추가적인 보안성을 제공할 수 있다. 이 때, HN이 암호화하고 UE가 복호화를 하는 절차이므로, 별도의 암호화를 위한 Encryption 방식은 Public Key를 기반으로 Encryption을 하는 것이 아니라 Private Key를 기반으로 Encryption 하는 방식일 수 있다. 이 경우, Hybrid QBER Check Packet과 유사하게 Protection Scheme ID 정보와 HN Public Key ID가 함께 전송될 수 있다.
12. (UE) Hybrid QBER Check
UE는 HN으로부터 수신한 Hybrid QBER Check Response Packet 을 기반으로 Hybrid QBER Check을 수행한다.
(1) UE는 Hybrid QBER Check Response Packet이 시스템에서 사전에 정의하는 Hybrid QBER Check Time τ 이내에 수신되었는지 확인한다.
(2) UE는 QBER Estimation을 수행하고 QBER이 시스템에서 사전에 정의하는 QBER Threshold β 이내인지 확인한다.
UE는 상기 두 가지 조건을 모두 만족하면 2.1.4.에서 수신한 HN의 Quantum Public Key가 유효하다고 판단한다.
UE는 2.1.4.에서 수신한 HN의 Quantum Public Key가 유효하다고 판단하면, HN에게 유효성 검증 결과 Indication 신호를 ‘OK’로 하여 Quantum Channel 또는 Classical Channel로 전송한다.
UE는 상기 두 가지 조건 중 한가지를 만족하지 않으면, 2.1.4.에서 수신한 HN의 Quantum Public Key가 유효하지 않다고 판단하고, HN에게 유효성 검증 결과 Indication 신호를 ‘Not-OK’로 하여 Quantum Channel 또는 Classical Channel로 전송한다.
UE는 2.1.4.에서 수신한 HN의 Quantum Public Key가 유효하지 않다고 판단하면, Quantum Public Key를 폐기하고 QPKI Protocol을 다시 시작한다.
상기에서 UE는 QBER Estimation을 위해 Hybrid QBER Check Response Packet에서 Basis가 Matching된 Hybrid QBER Check Information의 Index 정보 IM을 기반으로 IS에서 Quantum Public Key Index를 다음의 수학식 5와 같이 확인한다:
UE는 6. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit의 측정 및 Quantum Public Key 저장에서 측정된 정보에서 Basis가 Matching된 측정 정보 와 Hybrid QBER Check Response Packet의 Matching된 Quantum Public Key의 Bit Message 을 비교한다. 전체 Basis가 Matching된 Message와 측정 정보를 비교하여, 다른 값을 가지면 Error로 기록한다. QBER은 전체 Matching된 Basis의 개수 중에서 Error의 수로 다음의 수학식 6와 같이 정의된다:
상기에서 UE가 수신한 Hybrid QBER Check Response Packet에서 Basis가 Matching된 Hybrid QBER Check Information의 Index 정보 와 Matching된 Quantum Public Key의 Bit Message 가 추가적인 보안성 제공을 위해 HN의 Private Key로 암호화된 경우, UE는 HN의 Public Key를 기반으로 Decryption을 수행하여 Hybrid QBER Check을 위한 정보들을 획득한다.
상기의 5. (UE) Hybrid QBER Check을 위한 Qubit과 측정 Basis Selection에서 12. (UE) Hybrid QBER Check의 Hybrid QBER Check과정을 Single Qubit based Quantum Public Key 관점에서 설명하나, Entanglement based Quantum Public Key가 사용될 때에도 동일한 절차를 기반으로 수행될 수 있음은 자명하다.
실시 예) 8개의 Quantum Public Key 중에서 4개의 Qubit을 Hybrid QBER Check에 이용하여 Quantum Public Key의 유효성을 판단하는 경우
표 3를 참조하면, Alice (HN)은 8개의 Quantum Public Key를 생성하고, 각 Quantum Public Key는 직교 (+) 또는 대각 (x) Basis로 생성되었으며, Horizontal이면 Message가 0이고 Vertical이면 Message가 1이며, +45°이면 Message가 0이고 -45°(또는 135°)이면 Message가 1이라고 정의한다.
Bob (UE)는 Hybrid QBER Check을 위해 Index {2, 4, 6, 7}을 선택하고, 선택된 Index에 대해서 Basis {+, +, x, x}를 선택하여 양자 상태를 측정한 결과가 {0, 1, 0, 1}을 갖는다.
도 33은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check를 위한 정보 전송의 일례를 도시한 도면이다.
Bob은 Hybrid QBER Check을 위해 선택한 Index 정보 {2, 4, 6, 7}과 Basis 정보 {+, +, x, x}를 Classical Public Key를 통해 Encryption하여, Alice에게 전송한다.
Alice는 Classical Private Key를 통해 Bob으로부터 수신한 정보를 Decryption하여 Index 정보 {2, 4, 6, 7}과 Basis 정보 {+, +, x, x}를 획득한다.
Alice는 Index 정보 {2, 4, 6, 7}과 Basis 정보 {+, +, x, x}를 기반으로, Alice가 생성했던 8개의 Quantum Public Key 정보와 비교하여 동일한 Basis가 사용된 Index {2, 6}을 선별하고, Message 정보 {0, 0}을 도출한다.
Alice는 Bob이 전송했던 Index 정보에서 동일한 Basis가 사용된 Index {2, 6}에 해당하는 Index 정보 {1, 3}을 새롭게 도출한다.
Alice는 도출된 Index 정보 {1, 3}와 Message 정보 {0, 0}를 Bob에게 전송한다.
Bob은 Alice로부터 수신한 Index 정보 {1, 3}를 기반으로, Alice에게 송신했던 Index 정보 {2, 4, 6, 7}에서 첫 번째와 세 번째 Index {2, 6}을 선별한다.
Bob은 Alice로부터 수신한 Message 정보 {0, 0}과 상기 선별된 Index {2, 6}에 해당하는 양자 상태 측정 정보 {0, 0}을 비교하여 QBER Estimation을 수행한다 (QBER=0).
상기 실시 예에서 양자채널 환경의 Error가 없는 환경을 기반으로 설명하였으나, 실제 환경에서 발생할 수 있는 Error를 포함하여 시스템이 설계될 수 있음은 자명하다. 예를 들어, Hybrid QBER이 특정 Threshold β 이하이면, Quantum Public Key가 무결하다고 판단하도록 시스템을 설정할 수 있다.
13. (UE) Quantum Public Key 기반 Data Encryption
도 34은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Qubit Rotation에 의한 변조의 일례를 도시한 도면이다.
UE는 Hybrid QBER Check을 통해 유효성이 검증된 Quantum Public Key를 이용하여, HN에게 전송하고자 하는 Data를 Encryption 한다.
(1) Single Qubit based Public Key & Entanglement based Public Key
(1-1) UE는 보내고자 하는 Data d를 기반으로 HN으로부터 수신한 Quantum Public Key 중 Hybrid QBER Check에 사용되지 않고 Quantum Memory에 저장되어 있는 Quantum Public Key 를 변조하여 Data Encryption을 수행한다. 하기에서는 에 대한 Notation을 으로 단순화 하여 설명한다.
(1-1) 예를 들어, Quantum Public Key가 일 때, Data d에 해당하는 Qubit Rotation을 변조한다: .
(1-1-1) 여기서, 으로 Qubit Rotation에 대한 Unitary 연산을 의미한다.
(1-1-2) 여기서 Qubit Rotation은 Quantum Public Key 가 z 축에 대해서, d가 0이면 Rotation은 일어나지 않고, 1이면 π Rotation이 일어남을 의미한다.
(1-1-3) 여기서, d는 bit 정보로 0 또는 1을 가정한다.
(1-1-4) 상기에서 Qubit Rotation은 Quantum Public Key 에 대한 Pauli Operation일 수 있다. 여기서, d가 0이면 Pauli Operation은 일어나지 않고, 1이면 Pauli Operation이 일어남을 의미한다.
(1-1-5) 상기에서 Pauli Operation은 X, Y, Z 중 하나로 송수신단 사이에 사전에 약속될 수 있다.
같은 방법으로 모든 Quantum Public Key 에 대해서 각 Data 로 변조할 수 있다. 여기서 i는 Data Index와 Quantum Public Key의 Index이다
여기서, Data의 Encryption은 사전에 약속된 방법으로 다르게 설정될 수 있다.
여기서, Data의 Encryption은 사전에 약속된 방법으로 Quantum Public Key의 Type에 따라 다르게 설정될 수 있다.
14. (UE-HN) Quantum Public Key Encrypted (QPKE) Packet의 전송
UE는 양자 채널을 통해 또는 고전 채널과 양자채널을 통해 Encrypted Data를 포함하는 Quantum Public Key Encrypted (QPKE) Packet를 HN에게 전송한다.
도 35은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
(1) 양자 채널 기반 QPKE Packet 전송
(1-1) 양자 채널을 통해 제어 정보와 보안 정보를 포함하는 QPKE Packet을 전송한다.
(1-2) 양자 채널을 통해 QPKE Packet을 전송할 때 QPKE Packet 구조는 도 35와 같다.
(1-2-1) QPKE Packet은 모두 Quantum State로 생성되며, Encrypted Data를 제외한 Field(Protection Scheme ID, Home Network Public Key ID)는 Optical Signal로 구성될 수 있다. 이 때, Optical Signal은 Single Photon 수준의 Optical Signal이거나 Multiple Photon으로 구성된 Field일 수 있다.
(1-2-1-1) Optical Signal로 구성된 Field 들은 보안이 요구되는 정보가 아니며, 송수신단 사이에 사전에 약속된 방법으로 신호가 구성될 수 있다.
(1-2-1-2) 예를 들어, ON/Off Keying (OOK) 또는 Phase/Amplitude/Polarization Modulation 방식 등이 사용될 수 있다.
(1-2-1-3) Optical Signal로 구성된 Field 들은 송수신단 사이에 사전에 약속된 Field 사이즈가 정의될 수 있다.
(1-2-2) Protection Scheme ID는 QPKE Packet의 Encrypted Data의 Encryption 방식을 나타내는 Field이다.
(1-2-2-1) Protection Scheme ID는 Encryption 방식을 다르게 지정하여 나타낼 수 있다.
(1-2-2-2) Protection Scheme ID는 Encryption 방식을 동일한 방식으로 지정하는 경우 하나의 Identifier로 동작하게 할 수 있다.
(1-2-2-3) Protection Scheme ID는 Quantum Public Key의 Type을 포함할 수 있다.
(1-2-2-4) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 사용되지 않을 수 있다.
(1-2-2-5) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 기본값 0으로 설정될 수 있다.
(1-2-3) Home Network Public Key ID는 QPKE Packet의 Encrypted Data에 대한 Quantum Public Key ID를 나타내는 Field이다.
(1-2-3-1) Home Network Public Key ID는 Quantum Public Key Index를 나타낸다.
(1-2-3-1-1) Encrypted Data에 사용된 Quantum Public Key가 다수 개의 Quantum State로 구성되는 경우, 전체 Quantum Public Key 중 첫 번째 Index를 나타낼 수 있다.
(1-2-3-1-2) Encrypted Data에 사용된 Quantum Public Key가 다수 개의 Quantum State로 구성되는 경우, 전체 Quantum Public Key의 Index 범위를 나타낼 수 있다.
(1-2-4) Encrypted Data는 Home Network Public Key ID로 표현되는 Quantum Public Key로 Encryption 한 Data Field이다.
(1-2-4-1) Quantum Public Key를 사용하여, Protection Scheme ID에서 지칭하는 Encryption 방법으로 Data를 Encryption한 Quantum State이다.
(1-2-4-2) 다수개의 Quantum Public Key를 이용하여 다수개의 Data를 Encryption 한 경우, Encrypted Data는 Quantum State Stream일 수 있다.
(1-2-4-3) Quantum State Stream으로 구성된 Encrypted Data Field는 송수신단 사이에 사전에 약속된 Field 사이즈가 정의될 수 있다.
도 36은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Control Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
(2) 고전 채널과 양자 채널 기반 QPKE Packet 전송
(2-1) 고전 채널을 통해 QPKE Packet에 관련한 제어 정보를 전송하는 QPKE Control Packet을 전달하고, 양자 채널을 통해 보안 정보만을 포함하는 QPKE Packet을 전송한다.
(2-2) 고전 채널을 통해 QPKE Control Packet을 전송할 때, QPKE Control Packet의 구조는 도 36와 같다.
(2-2-1) QPKE Control Packet은 모두 고전 정보로 구성되며, RF Signal 또는 Optical Signal로 구성될 수 있다.
(2-2-1-1) QPKE Control Packet의 Field들은 보안이 요구되는 정보가 아니며, 송수신단 사이에 사전에 약속된 방법으로 전달하는 제어 정보이다.
(2-2-1-2) 예를 들어, ON/Off Keying (OOK) 또는 Phase/Amplitude/Polarization Modulation 방식 등이 사용될 수 있다.
(2-2-1-3) QPKE Control Packet의 Field들은 송수신단 사이에 사전에 약속된 Field 사이즈가 정의될 수 있다.
(2-2-2) Synchronization Header는 고전 채널로 전송되는 QPKE Control Packet과 양자 채널로 전송되는 QPKE Packet과 정보를 연동하기 위한 Synchronization 정보이다.
(2-2-2-1) 고전 채널로 전송되는 QPKE Control Packet의 Synchronization Header 와 양자 채널로 전송되는 QPKE Packet의 Synchronization Header는 동일한 정보로 구성된다.
(2-2-2-2) Synchronization Header는 사전에 정의된 방법으로 약속된 Synchronization Code일 수 있다.
(2-2-2-2-1) 예를 들어, Synchronization Code가 QPKE Packet의 순서를 나타내는 Index일 수 있으며, Synchronization Code는 수신단에서 Detection할 수 있는 Sequence 구조로 정의될 수 있다.
(2-2-2-2-2) 상기에서 Synchronization Code가 QPKE Packet의 순서를 나타내는 Index이더라도 다수 사용자 간의 정보 분리를 수행할 수 있는 수준의 길이를 가진 Sequence 구조로 정의된다.
(2-2-2-3) Synchronization Header는 Random하게 생성된 Synchronization Code일 수 있다.
(2-2-2-3-1) 예를 들어, QRNG 등을 통해 생성한 Random Number의 Sequence일 수 있다.
(2-2-2-3-2) Synchronization Code에 해당하는 Random Number로 구성된 Sequence의 길이는 사전에 송수신단 사이에서 약속된다.
(2-2-3) Protection Scheme ID는 QPKE Control Packet에서 제어하는 QPKE Packet의 Encrypted Data의 Encryption 방식을 나타내는 Field이다.
(2-2-3-1) Protection Scheme ID는 Encryption 방식을 다르게 지정하여 나타낼 수 있다.
(2-2-3-2) Protection Scheme ID는 Encryption 방식을 동일한 방식으로 지정하는 경우 하나의 Identifier로 동작하게 할 수 있다.
(2-2-3-3) Protection Scheme ID는 Quantum Public Key의 Type을 포함할 수 있다.
(2-2-3-4) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 사용되지 않을 수 있다.
(2-2-3-5) Protection Scheme ID는 단일 방식으로 송수신단 사이에 약속되는 경우, 기본값 0으로 설정될 수 있다.
(2-2-4) Home Network Public Key ID는 QPKE Control Packet에서 제어하는 QPKE Packet의 Encrypted Data에 대한 Quantum Public Key ID를 나타내는 Field이다.
(2-2-4-1) Home Network Public Key ID는 Quantum Public Key Index를 나타낸다.
(2-2-4-1-1) Encrypted Data에 사용된 Quantum Public Key가 다수 개의 Quantum State로 구성되는 경우, 전체 Quantum Public Key 중 첫 번째 Index를 나타낼 수 있다.
(2-2-4-1-2) Encrypted Data에 사용된 Quantum Public Key가 다수 개의 Quantum State로 구성되는 경우, 전체 Quantum Public Key의 Index 범위를 나타낼 수 있다.
도 37은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 QPKE Packet 구조의 일례를 도시한 도면이다.
(2-3) 양자 채널을 통해 QPKE Packet을 전송할 때 QPKE Packet 구조는 도 37와 같다.
(2-3-1) QPKE Packet은 모두 Quantum State로 생성되며, Synchronization Header는 Optical Signal로 구성될 수 있다. 이 때, Optical Signal은 Single Photon 수준의 Optical Signal이거나 Multiple Photon으로 구성된 Field일 수 있다.
(2-3-1-1) Optical Signal로 구성된 Synchronization Header은 보안이 요구되는 정보가 아니며, 송수신단 사이에 사전에 약속된 방법으로 신호가 구성될 수 있다.
(2-3-1-2) 예를 들어, ON/Off Keying (OOK) 또는 Phase/Amplitude/Polarization Modulation 방식 등이 사용될 수 있다.
(2-3-2) Synchronization Header는 고전 채널로 전송되는 QPKE Control Packet과 양자 채널로 전송되는 QPKE Packet과 정보를 연동하기 위한 Synchronization 정보이다.
(2-3-2-1) 고전 채널로 전송되는 QPKE Control Packet의 Synchronization Header와 양자 채널로 전송되는 QPKE Packet의 Synchronization Header는 동일한 정보로 구성된다.
(2-3-2-2) Synchronization Header는 사전에 정의된 방법으로 약속된 Synchronization Code일 수 있다.
(2-3-2-2-1) 예를 들어, Synchronization Code가 QPKE Packet의 순서를 나타내는 Index일 수 있으며, Synchronization Code는 수신단에서 Detection할 수 있는 Sequence 구조로 정의될 수 있다.
(2-3-2-2-2) 상기에서 Synchronization Code가 QPKE Packet의 순서를 나타내는 Index이더라도 다수 사용자 간의 정보 분리를 수행할 수 있는 수준의 길이를 가진 Sequence 구조로 정의된다.
(2-3-2-3) Synchronization Header는 Random하게 생성된 Synchronization Code일 수 있다.
(2-3-2-3-1) 예를 들어, QRNG 등을 통해 생성한 Random Number의 Sequence일 수 있다.
(2-3-2-3-2) Synchronization Code에 해당하는 Random Number로 구성된 Sequence의 길이는 사전에 송수신단 사이에서 약속된다.
(2-3-3) Encrypted Data는 Home Network Public Key ID로 표현되는 Quantum Public Key로 Encryption 한 Data Field이다.
(2-3-3-1) Quantum Public Key를 사용하여, Protection Scheme ID에서 지칭하는 Encryption 방법으로 Data를 Encryption한 Quantum State 이다.
(2-3-3-2) 다수개의 Quantum Public Key 를 이용하여 다수개의 Data를 Encryption 한 경우, Encrypted Data는 Quantum State Stream일 수 있다.
(2-3-3-3) Quantum State Stream으로 구성된 Encrypted Data Field는 송수신단 사이에 사전에 약속된 Field 사이즈가 정의될 수 있다.
15. (HN) Quantum Public Key Encrypted (QPKE) Packet의 Decryption
HN은 양자 채널로 수신한 Quantum Public Key Encrypted (QPKE) Packet의 Encrypted Data 를 Decryption 한다.
(1) Single Qubit based Public Key System
(1-1) HN은 양자채널 기반 QPKE Packet을 수신한 경우, Protection Scheme ID와 Home Network Public Key ID를 기반으로 Encrypted Data의 Public Key 정보를 Private Key 정보로 Decryption 한다. HN은 Home Network Public Key ID가 i 라고 할 때, i 번째 Quantum Public Key 의 생성정보 (또는 Private Key) 를 알고 있으므로 에 대한 보상 를 수행한다.
예를 들어, Protection Scheme이 Qubit Rotation 방식인 경우, 로 표현할 수 있다. 따라서, 수신 정보 에 을 수행하면, 로 쓸 수 있고, 또한 Qubit Rotation 방식인 경우, 동일한 축에 대해서 Qubit Rotation은 교환법칙이 성립하므로, 다음의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
즉, Decrypted 양자 상태로써, 초기상태 에 대해서 i 번째 Data 정보 를 획득할 수 있다. 따라서, Decrypted 양자 상태를 측정하면, Decrypted Data d_i를 획득할 수 있다. 같은 방법으로 전체 Encrypted Data에 대해서 Decryption 및 양자 상태 측정을 수행하면, 전체 Data를 획득할 수 있다.
(1-2) HN은 고전 채널을 기반으로 QPKE Control Packet을 수신하고, 양자채널을 기반으로 QPKE Packet을 수신한 경우, QPKE Control Packet과 QPKE Packet의 Synchronization Header를 Detection 및 비교하여, 동일한 Synchronization Code를 갖는 Packet들을 tie한다.
QPKE Control Packet의 Protection Scheme ID와 Home Network Public Key ID를 기반으로 Tie된 QPKE Packet의 Encrypted Data의 Quantum Public Key 정보를 Private Key 정보로 Decryption 한다. HN은 Home Network Public Key ID가 i 라고 할 때, i 번째 Quantum Public Key 의 생성정보 (또는 Private Key) 를 알고 있으므로 에 대한 보상 를 수행한다. 로 보상된 Decrypted 양자 상태를 측정하면, Decrypted Data d_i를 획득할 수 있다. 같은 방법으로 전체 Encrypted Data에 대해서 Decryption 및 양자 상태 측정을 수행하면, 전체 Data를 획득할 수 있다.
(2) Entanglement based Public Key System
(2-1) HN은 양자채널 기반 QPKE Packet을 수신한 경우, Protection Scheme ID와 Home Network Public Key ID를 기반으로 Encrypted Data의 Quantum Public Key 정보를 Private Key 정보로 Decryption 한다. HN은 Home Network Public Key ID가 i 라고 할 때, i 번째 Quantum Public Key 의 생성정보 (또는 Private Key) 를 알고 있으므로 에 대한 보상 를 수행한다.
예를 들어, Protection Scheme이 Pauli Operation 방식인 경우, 로 동일한 Pauli Operation을 수행하는 것으로 표현할 수 있다. 따라서, 수신 정보 에 을 수행하면, 로 쓸 수 있고, 또한 Pauli Operation 방식인 경우, 동일한 Pauli Operation은 교환법칙이 성립하므로, 다음의 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
즉, Decrypted Bell 상태의 첫 번째 Particle로써, 초기 Bell State의 첫 번째 Particle 에 대해서 i 번째 Data 정보 를 획득할 수 있다. 따라서, Decrypted Bell 상태의 첫 번째 Particle 와 HN이 보유하고 있던 Quantum Secret Key에 해당하는 두 번째 Particle 를 Bell State Measurement (BSM)으로 측정하면, Decrypted Data 를 획득할 수 있다. 같은 방법으로 전체 Encrypted Data에 대해서 Decryption 및 BSM을 수행하면, 전체 Data를 획득할 수 있다.
(2-2) HN은 고전 채널을 기반으로 QPKE Control Packet을 수신하고, 양자채널을 기반으로 QPKE Packet을 수신한 경우, QPKE Control Packet과 QPKE Packet의 Synchronization Header를 Detection 및 비교하여, 동일한 Synchronization Code를 갖는 Packet들을 tie한다.
QPKE Control Packet의 Protection Scheme ID와 Home Network Public Key ID를 기반으로 Tie된 QPKE Packet의 Encrypted Data의 Quantum Public Key 정보를 Private Key 정보로 Decryption 한다. HN은 Home Network Public Key ID가 i 라고 할 때, i 번째 Public Key 의 생성정보 (또는 Private Key) 를 알고 있으므로 에 대한 보상 를 수행한다. 로 보상된 Decrypted Bell 상태의 첫 번째 Particle과 두 번째 Particle에 해당하는 Quantum Secret Key를 BSM하면, Decrypted Data d_i를 획득할 수 있다. 같은 방법으로 전체 Encrypted Data에 대해서 Decryption 및 BSM을 수행하면, 전체 Data를 획득할 수 있다.
도 38은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI)에서 Single Qubit based QPK로 수행되는 양자채널 및 고전 채널 신호의 동작의 일례를 도시한 도면이다.
Alice는 Classical Private Key (CS)를 통해 Classical Public Key (CP)를 생성하여, 신뢰할 수 있는 네트워크를 통해 사전에 Bob에게 공유한다 (Provisioning).
(1) Bob은 보내고자 하는 Message (m)가 있는 경우, Alice에게 Quantum Public Key를 요청한다.
(2) Alice는 Bob에게 Quantum Public Key를 요청받으면, Private Key (s)를 통해 Quantum Public Key (p)를 생성하여, 실시간으로 Bob에게 전송한다.
(3) Bob은 전체 Quantum Public Key 중에서 Hybrid QBER Check을 위한 Qubit (p2, p4)들을 선택하여 Alice와 함께 Hybrid QBER Check를 수행한다.
(3-1) Bob은 Hybrid QBER Check Time이내에 Hybrid QBER Check이 완료되어야 하며, QBER이 특정 Threshold 이내에 있을 때, Alice로부터 수신한 Quantum Public Key가 유효하다고 판단한다.
(4) Bob은 Hybrid QBER Check이 통과되면, Hybrid QBER Check에 사용되지 않은 Quantum Public Key (p1, p3)에 Message (m1, m2)를 Encryption한다
(5) Alice는 수신 받은 신호 중 Encryption된 Message에 대하여, Private Key (s1, s3)를 통해 Quantum Public Key (p1, p3)의 정보를 보상 (Compensation)하여 Message (m1, m2) 정보만을 남긴다.
(6) Alice는 Message (m1, m2) 정보만을 남긴 양자 상태를 측정하여, 목적 Message (m) 정보를 획득한다.
도 39은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 Hybrid QBER Check based Quantum Public Key Infrastructure (QPKI)의 전체 과정에 대한 흐름도를 도시한 도면이다.
Alice는 클래식 개인 키 (Classical Private Key)를 통해 클래식 공개 키 (Classical Public Key)를 생성한다.
Alice와 Bob은 인증된 인프라를 통해 클래식 공개 키 공유 (Share Classical Public Key via Certificated Infrastructure)를 수행한다.
Alice는 Bob으로부터 양자 공개 키 요청 (Request Quantum Public Key)을 수신한다.
Alice는 QPK 생성 (QPK Generation)을 수행한다.
Alice는 Bob에게 양자 공개 키 전송 (Transmit Quantum Public Key)을 수행한다.
Alice와 Bob은 하이브리드 QBER 확인 (Hybrid QBER Check)을 수행한다.
Bob은 선택된 인덱스, 선택된 기저 (Selected Index, Selected Basis)에 기반하여, 기저 선택 (Basis Selection)을 수행한다.
Bob은 측정 (Measurement)을 수행하고, 선택되지 않은 QPK 저장 (Store Unselected QPK)을 수행한다.
Bob은 기저 암호화 (Basis Encryption)를 수행한다.
Alice는 Bob으로부터 하이브리드 QBER 검사 패킷 (Hybrid QBER Check Packet)을 수신한다.
Alice는 기저 복호화 (Basis Decryption)를 수행한다.
Alice는 기저 매칭 (Basis Matching)를 수행한다.
Alice는 Bob에게 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷 (Hybrid QBER Check Response Packet)을 전송한다.
Bob은 QBER 확인 시간 (QBER Check Time)과 QBER의 조건 만족 여부를 판단한다. 조건이 충족되지 않은 경우, 프로토콜을 다시 시작한다. (If NOT, Protocol Restart)
Bob은 QBER 확인 시간 (QBER Check Time)과 QBER의 조건 만족 여부에 기반하는 QPK의 유효성 검증 결과를 Alice에게 전송한다.
Bob은 일반 텍스트 메시지 (Plaintext Message)를 통해 메시지 암호화 (Message Encryption)를 수행한다.
Alice는 Bob으로부터 QPKE 패킷 (QPKE Packet)을 수신한다.
Alice는 메시지 해독 (Message Decryption)을 수행한다.
Alice는 메시지 감지 (Message Detection)를 수행한다.
Alice는 Bob에게 ACK을 전송한다.
본 개시에서 언급하는 QPKE Control Packet 또는 QPKE Packet 은 UE와 HN 사이의 관계로 설명하였으나, 동등한 수준의 Node 사이에 동일한 방법으로 적용 가능함은 자명하다. 예를 들어, UE는 Node A, HN은 Node B로 하여, 동일한 방법으로 Quantum Public Key Encrypted Packet을 구성하여 Encapsulated & Encrypted Data를 주고 받을 수 있다. 이 경우, Home Network Public Key ID는 상대 Node의 Public Key ID로 명칭이 변경되어 운영될 수 있다.
본 개시에서 고전채널로 전송되는 일반 신호 정보는 모두 양자 채널을 통해서도 전송될 수 있다. 단 고전채널로 전송될 수 있는 정보의 경우, 양자 채널로 전송되는 정보와 달리 물리적 보안에 대한 요구조건을 가지지 않을 수 있다.
본 개시에서 제안하는 Hybrid QBER Check 기반의 Quantum Public Key Infrastructure System에서 Classical Public Key System에 해당하는 방식은 RSA(RIVEST-SHAMIR-ADLEMAN) 또는 ECC (Elliptic Curve Cryptography)와 같은 Public Key Encryption을 기반으로 하는 암호화 방식에 한정되지 않는다. 제안하는 Quantum Public Key Infrastructure System에서 Classical Public Key System은 비대칭 키를 활용하는 모든 암호화 방식에 해당할 수 있음은 자명하다. 예를 들어, 양자 알고리즘에 대항하기 위해 개발된 Post Quantum Cryptography (PQC) 방식의 암호화 방식에서도 동일한 방법으로 적용 가능함은 자명하다.
본 개시의 다양한 실시 예들의 효과
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 기대 효과는 다음과 같다.
(1) QPK를 공유하고 QPKE를 사용하여 QPKI 시스템을 구성할 수 있다.
(2) 양자 알고리즘에 의한 기존 PKI 시스템의 위협을 QPK를 통해 물리적 보안을 제공한다.
(2-1) Quantum Memory에 대한 Ideal 가정이 없어도, Hybrid QBER Check 과정을 통해, Quantum Public Key의 유효성을 검증함으로써, QPKE에 대한 MitM Attack 문제를 방지한다.
(2-2) 유효한 Quantum Public Key를 기반으로 QPKE를 수행하여, HNDL Attack을 물리적으로 방어한다.
(3) 기존 통신 시스템의 가입자 신원 정보 전송에 QPKI를 통해 물리적 보안성을 제공한다.
(4) 3GPP Standard에서 동작하도록 Data Field와 Signaling을 정의한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 특징적 구성은 다음과 같다.
(1) Hybrid QBER Check 절차
(2) Hybrid QBER Check Packet 및 Hybrid QBER Check Response Packet과 연계 절차
(3) Hybrid QBER Check에 의한 Quantum Public Key 유효성 판단 절차
(4) 유효 Quantum Public Key를 통한 Encryption 수행하는 방법 및 절차
[제1 노드 claim 관련 설명]
이하 상술한 실시 예들을 제1 노드의 동작 측면에서 도 40을 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하 설명되는 방법들은 설명의 편의를 위하여 구분된 것일 뿐, 상호 배척되지 않는 한 어느 한 방법의 일부 구성이 다른 방법의 일부 구성과 치환되거나, 상호 간에 결합되어 적용될 수 있음은 물론이다.
도 40은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제1 노드의 동작 과정의 일례를 도시한 도면이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드에 의하여 수행되는 방법이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 제1 노드, 제2 노드 각각은 무선 통신 시스템에서 단말 또는 기지국 중 하나에 해당할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 제1 노드는 Alice, HN, BS 중 하나에 해당할 수 있다.
도 40의 실시 예는, S4001 단계 전에, 제1 노드가 제2 노드에게 하나 이상의 동기 신호(synchronization signal)를 전송하는 단계; 제1 노드가 제2 노드에게 시스템 정보(system information)를 전송하는 단계; 제1 노드가 제2 노드에게 설정 정보(configuration information)를 전송하는 단계; 제1 노드가 제2 노드에게 제어 정보(control information)를 전송하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 40의 실시 예는, S4001 단계 전에, 제1 노드가 제2 노드로부터 랜덤 액세스 프리앰블(random access preamble)을 수신하는 단계; 제1 노드가 제2 노드에게 랜덤 액세스 응답(random access response, RAR)을 전송하는 단계; 제1 노드가 제2 노드로부터 랜덤 액세스 메시지 3(message 3)을 수신하는 단계; 제1 노드가 제2 노드에게 경쟁 해결(contention resolution) 메시지를 전송하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 메시지 3는 RAR UL 그랜트와 함께 RAR에 의해 스케줄링된 첫 번째 PUSCH 전송이다.
S4001 단계에서, 제1 노드는 제2 노드에게 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 전송한다.
S4002 단계에서, 제1 노드는 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제2 노드로부터 수신한다.
S4003 단계에서, 제1 노드는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷을 고전 개인 키(classical private key)로 복호화(decryption) 하여, 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보를 생성한다.
S4004 단계에서, 제1 노드는 상기 기저 일치 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 제2 노드에게 전송한다.
S4005 단계에서, 제1 노드는 상기 기저 일치 정보에 기반하여, 상기 제2 노드로부터 상기 QPK의 유효성의 검증 결과를 수신한다.
S4006 단계에서, 제1 노드는 상기 QPK의 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제2 노드로부터 수신한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기저 일치 정보는 하이브리드 QBER 검사 정보의 양자 공개 키 인덱스에 해당하는 생성 양자 공개 키의 기저 정보와 상기 하이브리드 QBER 검사 정보의 측정 기저 정보의 일치 여부에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 하이브리드 QBER 검사 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷의 복호화(decryption)에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 QPK의 유효성은 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 보고된 상기 하이브리드 QBER 검사의 상기 결과와 미리 정의된 임계 값의 비교에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 도 40의 실시 예는, 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷이 미리 정해진 임계 값 이상의 QBER를 나타내는 경우, 상기 QPK를 폐기하고 새로 생성된 제2 QPK를 상기 제2 노드에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 도 40의 실시 예는, 상기 개인 키에 기반하여 상기 메시지의 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 암호화된 메시지의 복호화(decryption)는 상기 제2 큐비트들의 정보에 대한 상기 개인 키를 통한 보상에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면 통신 시스템에서 제1 노드가 제공된다. 제1 노드는 송수신기 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 도 40에 따른 제1 노드의 동작 방법을 수행하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드를 제어하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 적어도 하나의 프로세서 및 상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함한다. 상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 도 40에 따른 제1 노드의 동작 방법을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체(computer readable medium, CRM)가 제공된다. 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 도 40에 따른 제1 노드의 동작 방법을 포함할 수 있다.
[제2 노드 claim 관련 설명]
이하 상술한 실시 예들을 제2 노드의 동작 측면에서 도 41을 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하 설명되는 방법들은 설명의 편의를 위하여 구분된 것일 뿐, 상호 배척되지 않는 한 어느 한 방법의 일부 구성이 다른 방법의 일부 구성과 치환되거나, 상호 간에 결합되어 적용될 수 있음은 물론이다.
도 41은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제2 노드의 동작 과정의 일례를 도시한 도면이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제2 노드에 의하여 수행되는 방법이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 제1 노드, 제2 노드 각각은 무선 통신 시스템에서 단말 또는 기지국 중 하나에 해당할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 제2 노드는 Bob, UE 중 하나에 해당할 수 있다.
도 41의 실시 예는, S4101 단계 전에, 제2 노드가 제1 노드로부터 하나 이상의 동기 신호(synchronization signal)를 수신하는 단계; 제2 노드가 제1 노드로부터 시스템 정보(system information)를 수신하는 단계; 제2 노드가 제1 노드로부터 설정 정보(configuration information)를 수신하는 단계; 제2 노드가 제1 노드로부터 제어 정보(control information)를 수신하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 41의 실시 예는, S4101 단계 전에, 제2 노드가 제1 노드에게 랜덤 액세스 프리앰블(random access preamble)을 전송하는 단계; 제2 노드가 제1 노드로부터 랜덤 액세스 응답(random access response, RAR)을 수신하는 단계; 제2 노드가 제1 노드에게 랜덤 액세스 메시지 3(message 3)을 전송하는 단계; 제2 노드가 제1 노드로부터 경쟁 해결(contention resolution) 메시지를 수신하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 메시지 3는 RAR UL 그랜트와 함께 RAR에 의해 스케줄링된 첫 번째 PUSCH 전송이다.
S4101 단계에서, 제2 노드는 제1 노드로부터 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 수신한다.
S4102 단계에서, 제2 노드는 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제1 노드에게 전송한다.
S4103 단계에서, 제2 노드는 제1 노드로부터 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 수신한다.
S4104 단계에서, 제2 노드는 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 기반하여 상기 QPK의 유효성을 검증한다.
S4105 단계에서, 제2 노드는 상기 제1 노드에게 상기 QPK의 상기 유효성의 검증 결과를 전송한다.
S4106 단계에서, 제2 노드는 상기 QPK의 상기 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제1 노드에게 전송한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기저 일치 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷에 대한 고전 개인 키(classical private key) 기반 복호화에 의하여 생성된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기저 일치 정보는 하이브리드 QBER 검사 정보의 양자 공개 키 인덱스에 해당하는 생성 양자 공개 키의 기저 정보와 상기 하이브리드 QBER 검사 정보의 측정 기저 정보의 일치 여부에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 하이브리드 QBER 검사 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷의 복호화(decryption)에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 QPK의 유효성은 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 보고된 상기 하이브리드 QBER 검사의 상기 결과와 미리 정의된 임계 값의 비교에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 도 41의 실시 예는, 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷이 미리 정해진 임계 값 이상의 QBER를 나타내는 경우, 상기 QPK를 폐기하고 새로 생성된 제2 QPK를 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 개인 키에 기반하여 상기 메시지의 디코딩이 수행될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 암호화된 메시지의 복호화(decryption)는 상기 제2 큐비트들의 정보에 대한 상기 개인 키를 통한 보상에 기반할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면 통신 시스템에서 제2 노드가 제공된다. 제2 노드는 송수신기 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 도 41에 따른 제2 노드의 동작 방법을 수행하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 통신 시스템에서 제1 노드를 제어하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 적어도 하나의 프로세서 및 상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함한다. 상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 도 41에 따른 제2 노드의 동작 방법을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체(computer readable medium, CRM)가 제공된다. 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 도 41에 따른 제2 노드의 동작 방법을 포함할 수 있다.
본 개시에 적용 가능한 통신 시스템
도 42는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 42를 참조하면, 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR(New RAT), LTE(Long Term Evolution), 6G 무선 통신)을 이용하여 통신을 수행하는 기기를 의미하며, 통신/무선/5G 기기/6G 기기로 지칭될 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(100a), 차량(100b-1, 100b-2), XR(eXtended Reality) 기기(100c), 휴대 기기(Hand-held device)(100d), 가전(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI기기/서버(400)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량은 무선 통신 기능이 구비된 차량, 자율 주행 차량, 차량간 통신을 수행할 수 있는 차량 등을 포함할 수 있다. 여기서, 차량은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기는 AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 기기를 포함하며, HMD(Head-Mounted Device), 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등의 형태로 구현될 수 있다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기는 센서, 스마트미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국, 네트워크는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(200a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)을 통해 네트워크(300)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI(Artificial Intelligence) 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(300)를 통해 AI 서버(400)와 연결될 수 있다. 네트워크(300)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크, 5G(예, NR) 네트워크 또는 6G 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)/네트워크(300)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국/네트워크를 통하지 않고 직접 통신(e.g. 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(e.g. V2V(Vehicle to Vehicle)/V2X(Vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(예, 센서)는 다른 IoT 기기(예, 센서) 또는 다른 무선 기기(100a~100f)와 직접 통신을 할 수 있다.
무선 기기(100a~100f)/기지국(200), 기지국(200)/기지국(200) 간에는 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)이 이뤄질 수 있다. 여기서, 무선 통신/연결은 상향/하향링크 통신(150a)과 사이드링크 통신(150b)(또는, D2D 통신), 기지국간 통신(150c)(e.g. relay, IAB(Integrated Access Backhaul)과 같은 다양한 무선 접속 기술(예, 5G NR)을 통해 이뤄질 수 있다. 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)을 통해 무선 기기와 기지국/무선 기기, 기지국과 기지국은 서로 무선 신호를 송신/수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)은 다양한 물리 채널을 통해 신호를 송신/수신할 수 있다. 이를 위해, 본 개시의 다양한 실시 예들의 다양한 제안들에 기반하여, 무선 신호의 송신/수신을 위한 다양한 구성정보 설정 과정, 다양한 신호 처리 과정(예, 채널 인코딩/디코딩, 변조/복조, 자원 매핑/디매핑 등), 자원 할당 과정 등 중 적어도 일부가 수행될 수 있다.
한편, NR은 다양한 5G 서비스들을 지원하기 위한 다수의 뉴머롤로지(numerology)(또는 subcarrier spacing(SCS))를 지원한다. 예를 들어, SCS가 15kHz인 경우, 전통적인 셀룰러 밴드들에서의 넓은 영역(wide area)을 지원하며, SCS가 30kHz/60kHz인 경우, 밀집한-도시(dense-urban), 더 낮은 지연(lower latency) 및 더 넓은 캐리어 대역폭(wider carrier bandwidth)을 지원하며, SCS가 60kHz 또는 그보다 높은 경우, 위상 잡음(phase noise)을 극복하기 위해 24.25GHz보다 큰 대역폭을 지원한다.
NR 주파수 밴드(frequency band)는 두 가지 타입(type)(FR1, FR2)의 주파수 범위(frequency range)로 정의될 수 있다. 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있으며, 예를 들어, 두 가지 type(FR1, FR2)의 주파수 범위는 하기 표 4과 같을 수 있다. 설명의 편의를 위해 NR 시스템에서 사용되는 주파수 범위 중 FR1은 "sub 6GHz range"를 의미할 수 있고, FR2는 "above 6GHz range"를 의미할 수 있고 밀리미터 웨이브(millimeter wave, mmW)로 불릴 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 450MHz-6000MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz-52600MHz 60, 120, 240kHz
상술한 바와 같이, NR 시스템의 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있다. 예를 들어, FR1은 하기 표 5과 같이 410MHz 내지 7125MHz의 대역을 포함할 수 있다. 즉, FR1은 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역을 포함할 수 있다. 예를 들어, FR1 내에서 포함되는 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역은 비면허 대역(unlicensed band)을 포함할 수 있다. 비면허 대역은 다양한 용도로 사용될 수 있고, 예를 들어 차량을 위한 통신(예를 들어, 자율주행)을 위해 사용될 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 41MHz-7125MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz-52600MHz 60, 120, 240kHz
본 개시의 다양한 실시 예들에 따라서, 통신 시스템(1)은 테라헤르츠(THz) 무선 통신을 지원할 수 있다. THz 무선통신은 대략 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 진동수를 가지는 THz파를 이용하여 무선통신을 이용하는 것으로, 100GHz 이상의 매우 높은 캐리어 주파수를 사용하는 테라헤르츠(THz) 대역 무선통신을 의미할 수 있다. THz 무선통신에 이용될 것으로 기대되는 주파수 대역은 공기 중 분자 흡수에 의한 전파 손실이 작은 D-밴드(110GHz~170GHz) 혹은 H-밴드(220GHz~325GHz) 대역일 수 있다.
본 개시에 적용 가능한 무선 기기
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 무선 기기의 예에 대해 설명한다.
도 43은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 43을 참조하면, 제1 무선 기기(100)와 제2 무선 기기(200)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(100), 제2 무선 기기(200)}은 도 42의 {무선 기기(100x), 기지국(200)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(100)는 하나 이상의 프로세서(102) 및 하나 이상의 메모리(104)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(106) 및/또는 하나 이상의 안테나(108)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(102)는 메모리(104) 및/또는 송수신기(106)를 제어하며, 본 문서에 개시되 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(102)는 메모리(104) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(106)를 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(102)는 송수신기(106)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(104)에 저장할 수 있다. 메모리(104)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 프로세서(102)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(104)는 프로세서(102)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(102)와 메모리(104)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(106)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(108)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(106)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(106)는 RF(Radio Frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200)는 하나 이상의 프로세서(202), 하나 이상의 메모리(204)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206) 및/또는 하나 이상의 안테나(208)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202)는 메모리(204) 및/또는 송수신기(206)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202)는 메모리(204) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202)는 송수신기(206)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204)에 저장할 수 있다. 메모리(204)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 프로세서(202)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204)는 프로세서(202)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202)와 메모리(204)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(100, 200)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 계층(예, PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 하나 이상의 PDU(Protocol Data Unit) 및/또는 하나 이상의 SDU(Service Data Unit)를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 기능, 절차, 제안 및/또는 방법에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 포함하는 신호(예, 베이스밴드 신호)를 생성하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)로부터 신호(예, 베이스밴드 신호)를 수신할 수 있고, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 획득할 수 있다.
하나 이상의 프로세서(102, 202)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor), 하나 이상의 DSPD(Digital Signal Processing Device), 하나 이상의 PLD(Programmable Logic Device) 또는 하나 이상의 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)가 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있고, 펌웨어 또는 소프트웨어는 모듈, 절차, 기능 등을 포함하도록 구현될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 수행하도록 설정된 펌웨어 또는 소프트웨어는 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(104, 204)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구동될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 코드, 명령어 및/또는 명령어의 집합 형태로 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.
하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 ROM, RAM, EPROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(104, 204)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치에게 본 문서의 방법들 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 전송할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치로부터 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)를 통해 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 송수신하도록 설정될 수 있다. 본 문서에서, 하나 이상의 안테나는 복수의 물리 안테나이거나, 복수의 논리 안테나(예, 안테나 포트)일 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
도 44은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 44에 따르면, 무선 장치는 적어도 하나의 프로세서(102, 202), 적어도 하나의 메모리(104, 204), 적어도 하나의 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)를 포함할 수 있다.
앞서 도 43에서 설명한 무선 장치의 예시와, 도 44에서의 무선 장치의 예시의 차이로써, 도 43는 프로세서(102, 202)와 메모리(104, 204)가 분리되어 있으나, 도 44의 예시에서는 프로세서(102, 202)에 메모리(104, 204)가 포함되어 있다는 점이다.
여기서, 프로세서(102, 202), 메모리(104, 204), 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명한 바와 같기에, 불필요한 기재의 반복을 피하기 위해, 반복되는 설명의 기재는 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 신호 처리 회로의 예를 설명한다.
도 45는 전송 신호를 위한 신호 처리 회로를 예시한다.
도 45를 참조하면, 신호 처리 회로(1000)는 스크램블러(1010), 변조기(1020), 레이어 매퍼(1030), 프리코더(1040), 자원 매퍼(1050), 신호 생성기(1060)를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 도 45의 동작/기능은 도 43의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 수행될 수 있다. 도 45의 하드웨어 요소는 도 43의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록 1010~1060은 도 43의 프로세서(102, 202)에서 구현될 수 있다. 또한, 블록 1010~1050은 도 43의 프로세서(102, 202)에서 구현되고, 블록 1060은 도 43의 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다.
코드워드는 도 45의 신호 처리 회로(1000)를 거쳐 무선 신호로 변환될 수 있다. 여기서, 코드워드는 정보블록의 부호화된 비트 시퀀스이다. 정보블록은 전송블록(예, UL-SCH 전송블록, DL-SCH 전송블록)을 포함할 수 있다. 무선 신호는 다양한 물리 채널(예, PUSCH, PDSCH)을 통해 전송될 수 있다.
구체적으로, 코드워드는 스크램블러(1010)에 의해 스크램블된 비트 시퀀스로 변환될 수 있다. 스크램블에 사용되는 스크램블 시퀀스는 초기화 값에 기반하여 생성되며, 초기화 값은 무선 기기의 ID 정보 등이 포함될 수 있다. 스크램블된 비트 시퀀스는 변조기(1020)에 의해 변조 심볼 시퀀스로 변조될 수 있다. 변조 방식은 pi/2-BPSK(pi/2-Binary Phase Shift Keying), m-PSK(m-Phase Shift Keying), m-QAM(m-Quadrature Amplitude Modulation) 등을 포함할 수 있다. 복소 변조 심볼 시퀀스는 레이어 매퍼(1030)에 의해 하나 이상의 전송 레이어로 매핑될 수 있다. 각 전송 레이어의 변조 심볼들은 프리코더(1040)에 의해 해당 안테나 포트(들)로 매핑될 수 있다(프리코딩). 프리코더(1040)의 출력 z는 레이어 매퍼(1030)의 출력 y를 N*M의 프리코딩 행렬 W와 곱해 얻을 수 있다. 여기서, N은 안테나 포트의 개수, M은 전송 레이어의 개수이다. 여기서, 프리코더(1040)는 복소 변조 심볼들에 대한 트랜스폼(transform) 프리코딩(예, DFT 변환)을 수행한 이후에 프리코딩을 수행할 수 있다. 또한, 프리코더(1040)는 트랜스폼 프리코딩을 수행하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다.
자원 매퍼(1050)는 각 안테나 포트의 변조 심볼들을 시간-주파수 자원에 매핑할 수 있다. 시간-주파수 자원은 시간 도메인에서 복수의 심볼(예, CP-OFDMA 심볼, DFT-s-OFDMA 심볼)을 포함하고, 주파수 도메인에서 복수의 부반송파를 포함할 수 있다. 신호 생성기(1060)는 매핑된 변조 심볼들로부터 무선 신호를 생성하며, 생성된 무선 신호는 각 안테나를 통해 다른 기기로 전송될 수 있다. 이를 위해, 신호 생성기(1060)는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 모듈 및 CP(Cyclic Prefix) 삽입기, DAC(Digital-to-Analog Converter), 주파수 상향 변환기(frequency uplink converter) 등을 포함할 수 있다.
무선 기기에서 수신 신호를 위한 신호 처리 과정은 도 45의 신호 처리 과정(1010~1060)의 역으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(예, 도 43의 100, 200)는 안테나 포트/송수신기를 통해 외부로부터 무선 신호를 수신할 수 있다. 수신된 무선 신호는 신호 복원기를 통해 베이스밴드 신호로 변환될 수 있다. 이를 위해, 신호 복원기는 주파수 하향 변환기(frequency downlink converter), ADC(analog-to-digital converter), CP 제거기, FFT(Fast Fourier Transform) 모듈을 포함할 수 있다. 이후, 베이스밴드 신호는 자원 디-매퍼 과정, 포스트코딩(postcoding) 과정, 복조 과정 및 디-스크램블 과정을 거쳐 코드워드로 복원될 수 있다. 코드워드는 복호(decoding)를 거쳐 원래의 정보블록으로 복원될 수 있다. 따라서, 수신 신호를 위한 신호 처리 회로(미도시)는 신호 복원기, 자원 디-매퍼, 포스트코더, 복조기, 디-스크램블러 및 복호기를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 무선 기기 활용 예에 대해 설명한다.
도 46은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다(도 42 참조).
도 46을 참조하면, 무선 기기(100, 200)는 도 43의 무선 기기(100,200)에 대응하며, 다양한 요소(element), 성분(component), 유닛/부(unit), 및/또는 모듈(module)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)를 포함할 수 있다. 통신부는 통신 회로(112) 및 송수신기(들)(114)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 회로(112)는 도 43의 하나 이상의 프로세서(102,202) 및/또는 하나 이상의 메모리(104,204) 를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기(들)(114)는 도 43의 하나 이상의 송수신기(106,206) 및/또는 하나 이상의 안테나(108,208)를 포함할 수 있다. 제어부(120)는 통신부(110), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)와 전기적으로 연결되며 무선 기기의 제반 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 프로그램/코드/명령/정보에 기반하여 무선 기기의 전기적/기계적 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 정보를 통신부(110)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로 무선/유선 인터페이스를 통해 전송하거나, 통신부(110)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로부터 무선/유선 인터페이스를 통해 수신된 정보를 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
추가 요소(140)는 무선 기기의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 추가 요소(140)는 파워 유닛/배터리, 입출력부(I/O unit), 구동부 및 컴퓨팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(도 42, 100a), 차량(도 42, 100b-1, 100b-2), XR 기기(도 42, 100c), 휴대 기기(도 42, 100d), 가전(도 42, 100e), IoT 기기(도 42, 100f), 디지털 방송용 단말, 홀로그램 장치, 공공 안전 장치, MTC 장치, 의료 장치, 핀테크 장치(또는 금융 장치), 보안 장치, 기후/환경 장치, AI 서버/기기(도 42, 400), 기지국(도 42, 200), 네트워크 노드 등의 형태로 구현될 수 있다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 이동 가능하거나 고정된 장소에서 사용될 수 있다.
도 46에서 무선 기기(100, 200) 내의 다양한 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 전체가 유선 인터페이스를 통해 상호 연결되거나, 적어도 일부가 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200) 내에서 제어부(120)와 통신부(110)는 유선으로 연결되며, 제어부(120)와 제1 유닛(예, 130, 140)은 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 또한, 무선 기기(100, 200) 내의 각 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 하나 이상의 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 하나 이상의 프로세서 집합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 통신 제어 프로세서, 어플리케이션 프로세서(Application processor), ECU(Electronic Control Unit), 그래픽 처리 프로세서, 메모리 제어 프로세서 등의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리부(130)는 RAM(Random Access Memory), DRAM(Dynamic RAM), ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), 휘발성 메모리(volatile memory), 비-휘발성 메모리(non-volatile memory) 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
이하, 도 46의 구현 예에 대해 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 47는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 휴대 기기를 예시한다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 휴대용 컴퓨터(예, 노트북 등)를 포함할 수 있다. 휴대 기기는 MS(Mobile Station), UT(user terminal), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), AMS(Advanced Mobile Station) 또는 WT(Wireless terminal)로 지칭될 수 있다.
도 47를 참조하면, 휴대 기기(100)는 안테나부(108), 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 전원공급부(140a), 인터페이스부(140b) 및 입출력부(140c)를 포함할 수 있다. 안테나부(108)는 통신부(110)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 110~130/140a~140c는 각각 도 46의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 기지국들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 휴대 기기(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 AP(Application Processor)를 포함할 수 있다. 메모리부(130)는 휴대 기기(100)의 구동에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(130)는 입/출력되는 데이터/정보 등을 저장할 수 있다. 전원공급부(140a)는 휴대 기기(100)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 휴대 기기(100)와 다른 외부 기기의 연결을 지원할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 외부 기기와의 연결을 위한 다양한 포트(예, 오디오 입/출력 포트, 비디오 입/출력 포트)를 포함할 수 있다. 입출력부(140c)는 영상 정보/신호, 오디오 정보/신호, 데이터, 및/또는 사용자로부터 입력되는 정보를 입력 받거나 출력할 수 있다. 입출력부(140c)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부(140d), 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 데이터 통신의 경우, 입출력부(140c)는 사용자로부터 입력된 정보/신호(예, 터치, 문자, 음성, 이미지, 비디오)를 획득하며, 획득된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장될 수 있다. 통신부(110)는 메모리에 저장된 정보/신호를 무선 신호로 변환하고, 변환된 무선 신호를 다른 무선 기기에게 직접 전송하거나 기지국에게 전송할 수 있다. 또한, 통신부(110)는 다른 무선 기기 또는 기지국으로부터 무선 신호를 수신한 뒤, 수신된 무선 신호를 원래의 정보/신호로 복원할 수 있다. 복원된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장된 뒤, 입출력부(140c)를 통해 다양한 형태(예, 문자, 음성, 이미지, 비디오, 헵틱)로 출력될 수 있다.
도 48는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량 또는 자율 주행 차량을 예시한다.
차량 또는 자율 주행 차량은 이동형 로봇, 차량, 기차, 유/무인 비행체(Aerial Vehicle, AV), 선박 등으로 구현될 수 있다.
도 48를 참조하면, 차량 또는 자율 주행 차량(100)은 안테나부(108), 통신부(110), 제어부(120), 구동부(140a), 전원공급부(140b), 센서부(140c) 및 자율 주행부(140d)를 포함할 수 있다. 안테나부(108)는 통신부(110)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 110/130/140a~140d는 각각 도 46의 블록 110/130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 차량, 기지국(e.g. 기지국, 노변 기지국(Road Side unit) 등), 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)의 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 ECU(Electronic Control Unit)를 포함할 수 있다. 구동부(140a)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)을 지상에서 주행하게 할 수 있다. 구동부(140a)는 엔진, 모터, 파워 트레인, 바퀴, 브레이크, 조향 장치 등을 포함할 수 있다. 전원공급부(140b)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 센서부(140c)는 차량 상태, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140c)는 IMU(inertial measurement unit) 센서, 충돌 센서, 휠 센서(wheel sensor), 속도 센서, 경사 센서, 중량 감지 센서, 헤딩 센서(heading sensor), 포지션 모듈(position module), 차량 전진/후진 센서, 배터리 센서, 연료 센서, 타이어 센서, 스티어링 센서, 온도 센서, 습도 센서, 초음파 센서, 조도 센서, 페달 포지션 센서 등을 포함할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 주행중인 차선을 유지하는 기술, 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같이 속도를 자동으로 조절하는 기술, 정해진 경로를 따라 자동으로 주행하는 기술, 목적지가 설정되면 자동으로 경로를 설정하여 주행하는 기술 등을 구현할 수 있다.
일 예로, 통신부(110)는 외부 서버로부터 지도 데이터, 교통 정보 데이터 등을 수신할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 획득된 데이터를 기반으로 자율 주행 경로와 드라이빙 플랜을 생성할 수 있다. 제어부(120)는 드라이빙 플랜에 따라 차량 또는 자율 주행 차량(100)이 자율 주행 경로를 따라 이동하도록 구동부(140a)를 제어할 수 있다(예, 속도/방향 조절). 자율 주행 도중에 통신부(110)는 외부 서버로부터 최신 교통 정보 데이터를 비/주기적으로 획득하며, 주변 차량으로부터 주변 교통 정보 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 자율 주행 도중에 센서부(140c)는 차량 상태, 주변 환경 정보를 획득할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 새로 획득된 데이터/정보에 기반하여 자율 주행 경로와 드라이빙 플랜을 갱신할 수 있다. 통신부(110)는 차량 위치, 자율 주행 경로, 드라이빙 플랜 등에 관한 정보를 외부 서버로 전달할 수 있다. 외부 서버는 차량 또는 자율 주행 차량들로부터 수집된 정보에 기반하여, AI 기술 등을 이용하여 교통 정보 데이터를 미리 예측할 수 있고, 예측된 교통 정보 데이터를 차량 또는 자율 주행 차량들에게 제공할 수 있다.
도 49은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량을 예시한다. 차량은 운송수단, 기차, 비행체, 선박 등으로도 구현될 수 있다.
도 49을 참조하면, 차량(100)은 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a) 및 위치 측정부(140b)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140b는 각각 도 46의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 차량, 또는 기지국 등의 외부 기기들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 차량(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 메모리부(130)는 차량(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 메모리부(130) 내의 정보에 기반하여 AR/VR 오브젝트를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 HUD를 포함할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 차량(100)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 위치 정보는 차량(100)의 절대 위치 정보, 주행선 내에서의 위치 정보, 가속도 정보, 주변 차량과의 위치 정보 등을 포함할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 GPS 및 다양한 센서들을 포함할 수 있다.
일 예로, 차량(100)의 통신부(110)는 외부 서버로부터 지도 정보, 교통 정보 등을 수신하여 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 GPS 및 다양한 센서를 통하여 차량 위치 정보를 획득하여 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는 지도 정보, 교통 정보 및 차량 위치 정보 등에 기반하여 가상 오브젝트를 생성하고, 입출력부(140a)는 생성된 가상 오브젝트를 차량 내 유리창에 표시할 수 있다(1410, 1420). 또한, 제어부(120)는 차량 위치 정보에 기반하여 차량(100)이 주행선 내에서 정상적으로 운행되고 있는지 판단할 수 있다. 차량(100)이 주행선을 비정상적으로 벗어나는 경우, 제어부(120)는 입출력부(140a)를 통해 차량 내 유리창에 경고를 표시할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 주변 차량들에게 주행 이상에 관한 경고 메세지를 방송할 수 있다. 상황에 따라, 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 관계 기관에게 차량의 위치 정보와, 주행/차량 이상에 관한 정보를 전송할 수 있다.
도 50은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 XR 기기를 예시한다. XR 기기는 HMD, 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등으로 구현될 수 있다.
도 50을 참조하면, XR 기기(100a)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a), 센서부(140b) 및 전원공급부(140c)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140c은 각각 도 46의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 휴대 기기, 또는 미디어 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 미디어 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 미디어 데이터는 영상, 이미지, 소리 등을 포함할 수 있다. 제어부(120)는 XR 기기(100a)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 비디오/이미지 획득, (비디오/이미지) 인코딩, 메타데이터 생성 및 처리 등의 절차를 제어 및/또는 수행하도록 구성될 수 있다. 메모리부(130)는 XR 기기(100a)의 구동/XR 오브젝트의 생성에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 외부로부터 제어 정보, 데이터 등을 획득하며, 생성된 XR 오브젝트를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센서부(140b)는 XR 기기 상태, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140b)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, RGB 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰 및/또는 레이더 등을 포함할 수 있다. 전원공급부(140c)는 XR 기기(100a)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다.
일 예로, XR 기기(100a)의 메모리부(130)는 XR 오브젝트(예, AR/VR/MR 오브젝트)의 생성에 필요한 정보(예, 데이터 등)를 포함할 수 있다. 입출력부(140a)는 사용자로부터 XR 기기(100a)를 조작하는 명령을 회득할 수 있으며, 제어부(120)는 사용자의 구동 명령에 따라 XR 기기(100a)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 사용자가 XR 기기(100a)를 통해 영화, 뉴스 등을 시청하려고 하는 경우, 제어부(120)는 통신부(130)를 통해 컨텐츠 요청 정보를 다른 기기(예, 휴대 기기(100b)) 또는 미디어 서버에 전송할 수 있다. 통신부(130)는 다른 기기(예, 휴대 기기(100b)) 또는 미디어 서버로부터 영화, 뉴스 등의 컨텐츠를 메모리부(130)로 다운로드/스트리밍 받을 수 있다. 제어부(120)는 컨텐츠에 대해 비디오/이미지 획득, (비디오/이미지) 인코딩, 메타데이터 생성/처리 등의 절차를 제어 및/또는 수행하며, 입출력부(140a)/센서부(140b)를 통해 획득한 주변 공간 또는 현실 오브젝트에 대한 정보에 기반하여 XR 오브젝트를 생성/출력할 수 있다.
또한, XR 기기(100a)는 통신부(110)를 통해 휴대 기기(100b)와 무선으로 연결되며, XR 기기(100a)의 동작은 휴대 기기(100b)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 휴대 기기(100b)는 XR 기기(100a)에 대한 콘트롤러로 동작할 수 있다. 이를 위해, XR 기기(100a)는 휴대 기기(100b)의 3차원 위치 정보를 획득한 뒤, 휴대 기기(100b)에 대응하는 XR 개체를 생성하여 출력할 수 있다.
도 51은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 로봇을 예시한다. 로봇은 사용 목적이나 분야에 따라 산업용, 의료용, 가정용, 군사용 등으로 분류될 수 있다.
도 51을 참조하면, 로봇(100)은 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a), 센서부(140b) 및 구동부(140c)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140c은 각각 도 46의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 다른 로봇, 또는 제어 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 구동 정보, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 로봇(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 메모리부(130)는 로봇(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 로봇(100)의 외부로부터 정보를 획득하며, 로봇(100)의 외부로 정보를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센서부(140b)는 로봇(100)의 내부 정보, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140b)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰, 레이더 등을 포함할 수 있다. 구동부(140c)는 로봇 관절을 움직이는 등의 다양한 물리적 동작을 수행할 수 있다. 또한, 구동부(140c)는 로봇(100)을 지상에서 주행하거나 공중에서 비행하게 할 수 있다. 구동부(140c)는 액츄에이터, 모터, 바퀴, 브레이크, 프로펠러 등을 포함할 수 있다.
도 52는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 AI 기기를 예시한다.
AI 기기는 TV, 프로젝터, 스마트폰, PC, 노트북, 디지털방송용 단말기, 태블릿 PC, 웨어러블 장치, 셋톱박스(STB), 라디오, 세탁기, 냉장고, 디지털 사이니지, 로봇, 차량 등과 같은, 고정형 기기 또는 이동 가능한 기기 등으로 구현될 수 있다.
도 52를 참조하면, AI 기기(100)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입/출력부(140a/140b), 러닝 프로세서부(140c) 및 센서부(140d)를 포함할 수 있다. 블록 110~130/140a~140d는 각각 도 46의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 AI 기기(예, 도 W1, 100x, 200, 400)나 AI 서버(200) 등의 외부 기기들과 유무선 신호(예, 센서 정보, 사용자 입력, 학습 모델, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 이를 위해, 통신부(110)는 메모리부(130) 내의 정보를 외부 기기로 전송하거나, 외부 기기로부터 수신된 신호를 메모리부(130)로 전달할 수 있다.
제어부(120)는 데이터 분석 알고리즘 또는 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 결정되거나 생성된 정보에 기초하여, AI 기기(100)의 적어도 하나의 실행 가능한 동작을 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 AI 기기(100)의 구성 요소들을 제어하여 결정된 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 러닝 프로세서부(140c) 또는 메모리부(130)의 데이터를 요청, 검색, 수신 또는 활용할 수 있고, 적어도 하나의 실행 가능한 동작 중 예측되는 동작이나, 바람직한 것으로 판단되는 동작을 실행하도록 AI 기기(100)의 구성 요소들을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 AI 장치(100)의 동작 내용이나 동작에 대한 사용자의 피드백 등을 포함하는 이력 정보를 수집하여 메모리부(130) 또는 러닝 프로세서부(140c)에 저장하거나, AI 서버(도 W1, 400) 등의 외부 장치에 전송할 수 있다. 수집된 이력 정보는 학습 모델을 갱신하는데 이용될 수 있다.
메모리부(130)는 AI 기기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리부(130)는 입력부(140a)로부터 얻은 데이터, 통신부(110)로부터 얻은 데이터, 러닝 프로세서부(140c)의 출력 데이터, 및 센싱부(140)로부터 얻은 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(130)는 제어부(120)의 동작/실행에 필요한 제어 정보 및/또는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다.
입력부(140a)는 AI 기기(100)의 외부로부터 다양한 종류의 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 입력부(120)는 모델 학습을 위한 학습 데이터, 및 학습 모델이 적용될 입력 데이터 등을 획득할 수 있다. 입력부(140a)는 카메라, 마이크로폰 및/또는 사용자 입력부 등을 포함할 수 있다. 출력부(140b)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시킬 수 있다. 출력부(140b)는 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센싱부(140)는 다양한 센서들을 이용하여 AI 기기(100)의 내부 정보, AI 기기(100)의 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 얻을 수 있다. 센싱부(140)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, RGB 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰 및/또는 레이더 등을 포함할 수 있다.
러닝 프로세서부(140c)는 학습 데이터를 이용하여 인공 신경망으로 구성된 모델을 학습시킬 수 있다. 러닝 프로세서부(140c)는 AI 서버(도 W1, 400)의 러닝 프로세서부와 함께 AI 프로세싱을 수행할 수 있다. 러닝 프로세서부(140c)는 통신부(110)를 통해 외부 기기로부터 수신된 정보, 및/또는 메모리부(130)에 저장된 정보를 처리할 수 있다. 또한, 러닝 프로세서부(140c)의 출력 값은 통신부(110)를 통해 외부 기기로 전송되거나/되고, 메모리부(130)에 저장될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 기재된 청구항들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 개시의 다양한 실시 예들의 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 통신 시스템에서 제1 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    제2 노드에게 적어도 하나의 동기 신호(synchronization signal)를 전송하는 단계;
    상기 제2 노드에게 제어 신호(control information)를 전송하는 단계;
    상기 제2 노드에게 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 전송하는 단계;
    상기 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계;
    상기 하이브리드 QBER 검사 패킷을 고전 개인 키(classical private key)로 복호화(decryption) 하여, 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보를 생성하는 단계;
    상기 기저 일치 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 상기 제2 노드에게 전송하는 단계;
    상기 기저 일치 정보에 기반하여, 상기 제2 노드로부터 상기 QPK의 유효성의 검증 결과를 수신하는 단계;
    상기 QPK의 상기 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기저 일치 정보는 하이브리드 QBER 검사 정보의 양자 공개 키 인덱스에 해당하는 생성 양자 공개 키의 기저 정보와 상기 하이브리드 QBER 검사 정보의 측정 기저 정보의 일치 여부에 기반하는,
    방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 하이브리드 QBER 검사 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷의 복호화(decryption)에 기반하는,
    방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 QPK의 상기 유효성은 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 보고된 상기 하이브리드 QBER 검사의 상기 결과와 미리 정의된 임계 값의 비교에 기반하는,
    방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷이 미리 정해진 임계 값 이상의 QBER를 나타내는 경우, 상기 QPK를 폐기하고 새로 생성된 제2 QPK를 상기 제2 노드에게 전송하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 개인 키에 기반하여 상기 메시지의 정보를 획득하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 암호화된 메시지의 복호화(decryption)는 상기 제2 큐비트들의 정보에 대한 상기 개인 키를 통한 보상에 기반하는,
    방법.
  8. 통신 시스템에서 제2 노드의 동작 방법에 있어서,
    제1 노드로부터 적어도 하나의 동기 신호(synchronization signal)를 수신하는 단계;
    상기 제1 노드로부터 제어 신호(control information)를 수신하는 단계;
    상기 제1 노드로부터 개인 키(private key)에 기반하는 QPK(quantum public key)를 수신하는 단계;
    상기 QPK를 구성하는 복수의 큐비트들 중 제1 큐비트들에 대한 하이브리드 QBER 검사(hybrid quantum bit error rate check)의 결과와 관련된 하이브리드 QBER 검사 패킷을 상기 제1 노드에게 전송하는 단계;
    상기 제1 노드로부터 상기 QPK의 기저 일치(basis matching) 정보에 기반하는 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷을 수신하는 단계;
    상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 기반하여 상기 QPK의 유효성을 검증하는 단계;
    상기 제1 노드에게 상기 QPK의 상기 유효성의 검증 결과를 전송하는 단계;
    상기 QPK의 상기 유효성에 기반하여, 상기 복수의 큐비트들 중 상기 하이브리드 QBER 검사에 사용되지 않은 제2 큐비트들에 기반하여 암호화된 메시지를 상기 제1 노드에게 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 기저 일치 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷에 대한 고전 개인 키(classical private key) 기반 복호화에 의하여 생성되는,
    방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기저 일치 정보는 하이브리드 QBER 검사 정보의 양자 공개 키 인덱스에 해당하는 생성 양자 공개 키의 기저 정보와 상기 하이브리드 QBER 검사 정보의 측정 기저 정보의 일치 여부에 기반하는,
    방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 하이브리드 QBER 검사 정보는 상기 하이브리드 QBER 검사 패킷의 복호화(decryption)에 기반하는,
    방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 QPK의 상기 유효성은 상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷에 보고된 상기 하이브리드 QBER 검사의 상기 결과와 미리 정의된 임계 값의 비교에 기반하는,
    방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 하이브리드 QBER 검사 응답 패킷이 미리 정해진 임계 값 이상의 QBER를 나타내는 경우, 상기 QPK를 폐기하고 새로 생성된 제2 QPK를 상기 제2 노드로부터 수신하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 개인 키에 기반하여 상기 메시지의 디코딩이 수행되는,
    방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 암호화된 메시지의 복호화(decryption)는 상기 제2 큐비트들의 정보에 대한 상기 개인 키를 통한 보상에 기반하는,
    방법.
  15. 통신 시스템에서 제1 노드에 있어서,
    송수신기;
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며,
    상기 동작들은,
    제1 항 내지 제7 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    제1 노드.
  16. 통신 시스템에서 제2 노드에 있어서,
    송수신기;
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하게 접속 가능하고, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하며,
    상기 동작들은,
    제8 항 내지 제14 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    제2 노드.
  17. 통신 시스템에서 제1 노드를 제어하는 제어 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하며,
    상기 동작들은,
    제1 항 내지 제7 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    제어 장치.
  18. 통신 시스템에서 제2 노드를 제어하는 제어 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하며,
    상기 동작들은,
    제8 항 내지 제14 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    제어 장치.
  19. 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서,
    상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고,
    상기 동작들은,
    제1 항 내지 제7 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    컴퓨터 판독 가능 매체.
  20. 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서,
    상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고,
    상기 동작들은,
    제8 항 내지 제14 항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계를 포함하는,
    컴퓨터 판독 가능 매체.
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