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Scientific Programming

부호책 제한을 가지는 표본 적응 프로덕트 양자기를 이용한 1차 마르코프 과정의 고 전송률 양자화

김동식

Published Jan 1, 2012• 0 citations
OpenAlex

Abstract

디지털 신호의 양을 줄이기 위한 손실 소스 부호화에서 양자화는 필수적이다. 이때 보다 효율적인 양자화를 위해서는 벡터 양자기(vector quantizer: VQ)를 사용하는데, 벡터의 차수 또는 전송률이 올라감에 따라 VQ의 부호화 복잡도는 기하급수적으로 증가한다. 이를 보완하기 위하여 여러 변형된 VQ가 제안되어 있다. 이러한 변형된 VQ의 일종으로 표본 적응 프로덕트 양자기(sample-adaptive product quantizer: SAPQ)가 있는데, 벡터의 차수를 줄여서 부호화 복잡도를 줄일 수 있는 프로덕트 VQ(product VQ: PQ)와 유사한 구조를 가지지만, 일반 PQ보다 더 좋은 성능을 가지면서 일반 VQ보다는 부호화 복잡도가 낮고 부호책을 위한 메모리의 크기도 작은 일종의 구조적 제한을 가지는 VQ이다. 이러한 SAPQ 중에서 부호책의 구조가 양자화 공간의 대각선에 대칭 형태를 가지는 단순한 형태의 1-SAPQ가 있는데, 이러한 1-SAPQ의 성능은 동일한 분포를 가지며 서로 독립인 입력에 좋은 성능을 보인다. 본 논문에서는 1-SAPQ를 1차 마르코프 과정에 대하여 설계하고 그 성능을 평가하였다. 효율적인 1-SAPQ의 설계를 위하여 초기 부호책 설계 알고리듬을 제안하였으며, 수치해석을 통하여 1-SAPQ는 비슷한 부호화 복잡도를 가지는 VQ보다 좋은 성능을 보임을 보였다. 또한 DPCM(differential pulse coded modulation) 기법에 Lloyd-Max 양자화를 사용한 경우의 성능에 근접함을 보였다.

Related papers

그루버 알고리즘 적용을 위한 LEA 양자 회로 최적화

장경배, 김현준, 박재훈 +2 more

양자 알고리즘과 양자 컴퓨터는 우리가 현재 사용하고 있는 많은 암호들의 안전성을 깨뜨릴 수 있다. 그루버 알고리즘을 n-bit 보안레벨을 가지는 대칭키 암호에 적용한다면 보안레벨을 (n/2)-bit까지 낮출 수 있다. 그루버 알고리즘을 적용하기 위해서는 오라클 함수에 대칭키 암호가양자 회로로 구현되어야 하기 때문에 대상 암호를 양자 회로로 최적화하는 것이 가장 중요하다. 이에 AES 또는 경량 블록암호를 양자 회로로 구현하는 연구들이 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 국산 경량 블록암호 LEA를 양자 회로로 최적화하여 구현 하였다. 기존의 LEA 양자회로 구현과 비교하여 양자 게이트는 더 많이 사용하였지만, 큐빗을 획기적으로 줄일 수 있었으며 이러한 트레이드오프 문제에 대한 성능 평가를 수행하였다. 마지막으로 제안하는 LEA 양자 회로에 그루버 알고리즘을 적용하기 위한 양자 자원들을 평가하였다.

KIPS Transactions on Computer and Communication Systems•Jan 1, 2021•0 citations

양자암호통신 집적화 모듈 기술

최중선, 고해신, 최병석 +2 more

본고에서는 미래 초고신뢰 및 최고 등급 보안 통신을 제공할 수 있는 양자암호통신 기술에서 집적화칩 형태의 양자키분배 송신부와 수신부 부품 및 모듈에 관한 최신 연구동향과 한국전자통신연구원(ETRI)에서 개발된 무선 양자암호통신을 위한 편광 부호화/복호화 집적화칩 및 모듈 기술 내용에 대해 기술한다. 양자암호통신 기술은 그 동안 시연 및 상용 시스템 개발이 진행되는 등 빠르게 발전하고 있다. 또한, 세계 각국은 2000년대 중반 이후로부터 협력을 통하거나 또는 독자적으로인 테스트베드 시스템 개발, 네트워크 구축 및 확장을 진행하고 있다. 이러한 발전에도 불구하고 양자암호통신 기술은 아직 널리 사용되지 않고 있으며 이는 범용적으로 사용되기 위한 주요 요구사항인 저가화, 소형화, 고성능, 대량 생산 가능한 기술 등이 아직 미비하기 때문이다. 이러한 요구조건을 만족할 수 있는 기술은 기존의 고가의 개별 벌크 광학 부품을 사용하지 않고 새로운 집적화칩 형태의 부품, 집적화 모듈 및 시스템을 개발하는 것이다. 본고에서는 유선과 무선 양자암호통신에서 집적화칩 및 부품과 집적화칩 기반 양자암호통신 송수신부 모듈 기술에 대한 최신 동향을 분석한다. 또한, 최근 한국전자통신연구원에서 연구된 무선 양자암호통신을 위해서 최초 제작된 평판형 광도파로 기반 4 ´ 1 편광부호화/복호화 칩 및 편광부호화칩을 이용한 무선 양자키분배기술에 대해서 소개한다.

한국통신학회지(정보와통신)•Jul 1, 2019•0 citations

무선 네트워크를 위한 분산형 비밀 키 추출 방식

임상훈, 전형석, 하정석

본 연구에서는 무선 네트워크를 위하여 키 분배 관리 기반구조에 의존하지 않으며 완전 자율적이고 분산 구조의 초경량 보안 키 분배 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 밥과 엘리스라 불리는 두 명의 적법한 사용자(legitimate users)들이 시분할 이중통신 (TDD, Time Division Duplex)방식으로 통신을 수행한다고 가정하며 채널의 쌍대성(reciprocity)에 의하여 상관성 (correlation)이 큰 무선 채널 이득을 가지는 것으로 가정하였다. 이러한 무선채널 이득을 두 적법한 사용자가 각자 독립적으로 양자화하여 얻은 무작위 비트 배열의 쌍을 생성하고 이를 보안 키로 사용하는 방식을 제안한다. 특히, 본 논문에서는 이러한 키 분배 프로토콜을 위한 적응형 양자화 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 채널의 변화에 따라 양자화 임계값을 조정함으로써 앨리스와 밥에 의해 생성된 비트배열 사이의 불일치 확률을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 BCH 부호와 같은 실용적인 저 복잡도 부호를 사용하여 비트 배열의 쌍 간의 불일치를 정정하고 앨리스와 밥이 공유하게 될 보안키를 생성한다. 비밀 키 추출효율을 최대화하기 위해 양자화 단계와 BCH 부호의 부호율을 최적화시켰으며, 제안된 보안키 추출 시스템을 802.11a 기반의 무선 네트워크 카드를 이용하여 구현하였다. 하드웨어 기반의 실험을 통해 실내 환경에서 초 당 1비트 이상의 보안 키를 획득하는 것이 가능함을 실험적으로 보였다.

한국통신학회논문지•Dec 1, 2014•0 citations

딥러닝 기반의 순방향 전파형 가중치 양자화 기법

주우정, Kang Sanggil

여러 분야에서 뛰어난 성능을 보이는 딥러닝은 뉴럴 네트워크의 은닉 계층을 늘려 깊은 네트 워크 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라 복잡한 데이터를 쉽게 분류할 수 있으나, 가중치 수 증가로 인해 학습 연산량 및 메모리가 증가한다. 이처럼 많은 연산과 메모리가 필요한 딥러닝은 일반적으로 클라우드 상으로 학습하나, 클라우드는 사용자와의 통신상태가 원활해야 하며 서비스 비용에 대한 부 담감 및 개인정보 유출에 대한 위험성을 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 딥러닝을 임베디드 디바이스에 탑재해야 하며 온디바이스 탑재를 위한 네트워크 경량화가 필요하다. 경량화 기법으로는 프루닝 기법과 양자화 기법이 널리 사용되고 있으며 기존 양자화 기법은 비지도 학습 중 하나인 Kmeans를 사용하여 각 계층의 가중치들을 군집화하여 대푯값을 결정한다. K-means 기법에서 군집의 개수를 의미하는 K는 시행착오 방법을 통해 설정해야 하며 이에 따른 오버헤드가 발생한다. 또한, 기 존 양자화 기법은 네트워크 각 계층의 연결 관계를 무시한 채 독립적으로 양자화한다. 우리는 연산 오 버헤드 문제를 해결하기 위해 가중치들의 통계적 정보를 이용한 즉각적 가중치 양자화 기법을 제안하 고 네트워크 각 계층의 의존관계를 고려하여 순차 적으로 양자화함으로써 향상된 학습 성능을 보여준다.

•Jun 1, 2018•0 citations

효율성을 개선한 신원기반의 3자간 복수 키 합의 프로토콜

박영호, 이경현

Pairing을 이용한 신원기반의 공개키 암호시스템에 대한 연구가 활발히 진행되면서 신원기반의 다양한 키 합의 프로토콜이 제안되었으나, 대부분의 기법들이 키 합의 프로토콜에서 요구되는 보안 요구사항을 만족하지 않는 것으로 분석되었다. 그리고 최근 Liu 등과 Kim 등은 한 번의 프로토콜의 수행을 통해 복수개의 키를 설정할 수 있는 키 합의 프로토콜을 제안하였다. 본 논문에서는 Liu 등의 기법을 개선한 신원기반의 3자간 복수개의 키 합의 프로토콜을 제안한다. Liu 등의 기법과 유사하게 키 교환 메시지에 서명을 추가하지만 Liu 등의 기법보다 효율적인 프로토콜의 수행이 가능하다. 그리고 제안 프로토콜은 서로 다른 여러 키 발급센터(Private key generator, PKG)들이 관여하는 환경에서도 프로토콜의 수행이 가능하며, 프로토콜에 참여하는 각 개체들이 자신의 소속에 따라 별개의 키 발급센터로부터 발행된 개인키를 사용할 수 있으므로 보다 실용적이며 효율적으로 적용될 수 있다.

정보보호학회논문지•Jun 1, 2005•0 citations

PVNIOT를 적용한 공정한 은닉 서명 프로토콜 설계

김상춘, 권기현

불확정 전송 프로토콜의 가장 큰 문제점은 단일 프로토콜로 사용될 경우에는 그 통신량과 계산량이 적지만 암호 프로토콜의 서브프로토콜로 사용될 경우 그 통신량과 계산량이 급증한다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 통신 트래픽이 적은 시간에 사전 계산을 실행함으로써 통신량과 계산량을 줄일 수 있도록 설계한 검증 가능한 비대화형 불확정 전송 프로토콜을 적용하여 기존에 Fiat-Shamir 서명 방식(Fiat 86)에서 평방 근을 사용하던 방식 대신에 third root를 사용하고 1-out-of-2 불확정 전송을 이용하는 에 관한 공정한 은닉 서명 기법에 사전 계산에 의한 검증 가능한 비대화형 불확정 전송 프로토콜을 적용하여 공정한 은닉 서명 프로토콜을 설계하였다. 또한 제안한 프로토콜을 Lein Harn, VNIOT 프로토콜 방식과 비교하여 분석하고, 프로토콜에 대하여 분석하였다.

융합보안논문지•Jun 1, 2003•0 citations
디지털 신호의 양을 줄이기 위한 손실 소스 부호화에서 양자화는 필수적이다. 이때 보다 효율적인 양자화를 위해서는 벡터 양자기(vector quantizer: VQ)를 사용하는데, 벡터의 차수 또는 전송률이 올라감에 따라 VQ의 부호화 복잡도는 기하급수적으로 증가한다. 이를 보완하기 위하여 여러 변형된 VQ가 제안되어 있다. 이러한 변형된 VQ의 일종으로 표본 적응 프로덕트 양자기(sample-adaptive product quantizer: SAPQ)가 있는데, 벡터의 차수를 줄여서 부호화 복잡도를 줄일 수 있는 프로덕트 VQ(product VQ: PQ)와 유사한 구조를 가지지만, 일반 PQ보다 더 좋은 성능을 가지면서 일반 VQ보다는 부호화 복잡도가 낮고 부호책을 위한 메모리의 크기도 작은 일종의 구조적 제한을 가지는 VQ이다. 이러한 SAPQ 중에서 부호책의 구조가 양자화 공간의 대각선에 대칭 형태를 가지는 단순한 형태의 1-SAPQ가 있는데, 이러한 1-SAPQ의 성능은 동일한 분포를 가지며 서로 독립인 입력에 좋은 성능을 보인다. 본 논문에서는 1-SAPQ를 1차 마르코프 과정에 대하여 설계하고 그 성능을 평가하였다. 효율적인 1-SAPQ의 설계를 위하여 초기 부호책 설계 알고리듬을 제안하였으며, 수치해석을 통하여 1-SAPQ는 비슷한 부호화 복잡도를 가지는 VQ보다 좋은 성능을 보임을 보였다. 또한 DPCM(differential pulse coded modulation) 기법에 Lloyd-Max 양자화를 사용한 경우의 성능에 근접함을 보였다.
양자 알고리즘과 양자 컴퓨터는 우리가 현재 사용하고 있는 많은 암호들의 안전성을 깨뜨릴 수 있다. 그루버 알고리즘을 n-bit 보안레벨을 가지는 대칭키 암호에 적용한다면 보안레벨을 (n/2)-bit까지 낮출 수 있다. 그루버 알고리즘을 적용하기 위해서는 오라클 함수에 대칭키 암호가양자 회로로 구현되어야 하기 때문에 대상 암호를 양자 회로로 최적화하는 것이 가장 중요하다. 이에 AES 또는 경량 블록암호를 양자 회로로 구현하는 연구들이 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 국산 경량 블록암호 LEA를 양자 회로로 최적화하여 구현 하였다. 기존의 LEA 양자회로 구현과 비교하여 양자 게이트는 더 많이 사용하였지만, 큐빗을 획기적으로 줄일 수 있었으며 이러한 트레이드오프 문제에 대한 성능 평가를 수행하였다. 마지막으로 제안하는 LEA 양자 회로에 그루버 알고리즘을 적용하기 위한 양자 자원들을 평가하였다.
본고에서는 미래 초고신뢰 및 최고 등급 보안 통신을 제공할 수 있는 양자암호통신 기술에서 집적화칩 형태의 양자키분배 송신부와 수신부 부품 및 모듈에 관한 최신 연구동향과 한국전자통신연구원(ETRI)에서 개발된 무선 양자암호통신을 위한 편광 부호화/복호화 집적화칩 및 모듈 기술 내용에 대해 기술한다. 양자암호통신 기술은 그 동안 시연 및 상용 시스템 개발이 진행되는 등 빠르게 발전하고 있다. 또한, 세계 각국은 2000년대 중반 이후로부터 협력을 통하거나 또는 독자적으로인 테스트베드 시스템 개발, 네트워크 구축 및 확장을 진행하고 있다. 이러한 발전에도 불구하고 양자암호통신 기술은 아직 널리 사용되지 않고 있으며 이는 범용적으로 사용되기 위한 주요 요구사항인 저가화, 소형화, 고성능, 대량 생산 가능한 기술 등이 아직 미비하기 때문이다. 이러한 요구조건을 만족할 수 있는 기술은 기존의 고가의 개별 벌크 광학 부품을 사용하지 않고 새로운 집적화칩 형태의 부품, 집적화 모듈 및 시스템을 개발하는 것이다. 본고에서는 유선과 무선 양자암호통신에서 집적화칩 및 부품과 집적화칩 기반 양자암호통신 송수신부 모듈 기술에 대한 최신 동향을 분석한다. 또한, 최근 한국전자통신연구원에서 연구된 무선 양자암호통신을 위해서 최초 제작된 평판형 광도파로 기반 4 ´ 1 편광부호화/복호화 칩 및 편광부호화칩을 이용한 무선 양자키분배기술에 대해서 소개한다.
본 연구에서는 무선 네트워크를 위하여 키 분배 관리 기반구조에 의존하지 않으며 완전 자율적이고 분산 구조의 초경량 보안 키 분배 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 밥과 엘리스라 불리는 두 명의 적법한 사용자(legitimate users)들이 시분할 이중통신 (TDD, Time Division Duplex)방식으로 통신을 수행한다고 가정하며 채널의 쌍대성(reciprocity)에 의하여 상관성 (correlation)이 큰 무선 채널 이득을 가지는 것으로 가정하였다. 이러한 무선채널 이득을 두 적법한 사용자가 각자 독립적으로 양자화하여 얻은 무작위 비트 배열의 쌍을 생성하고 이를 보안 키로 사용하는 방식을 제안한다. 특히, 본 논문에서는 이러한 키 분배 프로토콜을 위한 적응형 양자화 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 채널의 변화에 따라 양자화 임계값을 조정함으로써 앨리스와 밥에 의해 생성된 비트배열 사이의 불일치 확률을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 BCH 부호와 같은 실용적인 저 복잡도 부호를 사용하여 비트 배열의 쌍 간의 불일치를 정정하고 앨리스와 밥이 공유하게 될 보안키를 생성한다. 비밀 키 추출효율을 최대화하기 위해 양자화 단계와 BCH 부호의 부호율을 최적화시켰으며, 제안된 보안키 추출 시스템을 802.11a 기반의 무선 네트워크 카드를 이용하여 구현하였다. 하드웨어 기반의 실험을 통해 실내 환경에서 초 당 1비트 이상의 보안 키를 획득하는 것이 가능함을 실험적으로 보였다.
여러 분야에서 뛰어난 성능을 보이는 딥러닝은 뉴럴 네트워크의 은닉 계층을 늘려 깊은 네트 워크 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라 복잡한 데이터를 쉽게 분류할 수 있으나, 가중치 수 증가로 인해 학습 연산량 및 메모리가 증가한다. 이처럼 많은 연산과 메모리가 필요한 딥러닝은 일반적으로 클라우드 상으로 학습하나, 클라우드는 사용자와의 통신상태가 원활해야 하며 서비스 비용에 대한 부 담감 및 개인정보 유출에 대한 위험성을 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 딥러닝을 임베디드 디바이스에 탑재해야 하며 온디바이스 탑재를 위한 네트워크 경량화가 필요하다. 경량화 기법으로는 프루닝 기법과 양자화 기법이 널리 사용되고 있으며 기존 양자화 기법은 비지도 학습 중 하나인 Kmeans를 사용하여 각 계층의 가중치들을 군집화하여 대푯값을 결정한다. K-means 기법에서 군집의 개수를 의미하는 K는 시행착오 방법을 통해 설정해야 하며 이에 따른 오버헤드가 발생한다. 또한, 기 존 양자화 기법은 네트워크 각 계층의 연결 관계를 무시한 채 독립적으로 양자화한다. 우리는 연산 오 버헤드 문제를 해결하기 위해 가중치들의 통계적 정보를 이용한 즉각적 가중치 양자화 기법을 제안하 고 네트워크 각 계층의 의존관계를 고려하여 순차 적으로 양자화함으로써 향상된 학습 성능을 보여준다.
Pairing을 이용한 신원기반의 공개키 암호시스템에 대한 연구가 활발히 진행되면서 신원기반의 다양한 키 합의 프로토콜이 제안되었으나, 대부분의 기법들이 키 합의 프로토콜에서 요구되는 보안 요구사항을 만족하지 않는 것으로 분석되었다. 그리고 최근 Liu 등과 Kim 등은 한 번의 프로토콜의 수행을 통해 복수개의 키를 설정할 수 있는 키 합의 프로토콜을 제안하였다. 본 논문에서는 Liu 등의 기법을 개선한 신원기반의 3자간 복수개의 키 합의 프로토콜을 제안한다. Liu 등의 기법과 유사하게 키 교환 메시지에 서명을 추가하지만 Liu 등의 기법보다 효율적인 프로토콜의 수행이 가능하다. 그리고 제안 프로토콜은 서로 다른 여러 키 발급센터(Private key generator, PKG)들이 관여하는 환경에서도 프로토콜의 수행이 가능하며, 프로토콜에 참여하는 각 개체들이 자신의 소속에 따라 별개의 키 발급센터로부터 발행된 개인키를 사용할 수 있으므로 보다 실용적이며 효율적으로 적용될 수 있다.
불확정 전송 프로토콜의 가장 큰 문제점은 단일 프로토콜로 사용될 경우에는 그 통신량과 계산량이 적지만 암호 프로토콜의 서브프로토콜로 사용될 경우 그 통신량과 계산량이 급증한다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 통신 트래픽이 적은 시간에 사전 계산을 실행함으로써 통신량과 계산량을 줄일 수 있도록 설계한 검증 가능한 비대화형 불확정 전송 프로토콜을 적용하여 기존에 Fiat-Shamir 서명 방식(Fiat 86)에서 평방 근을 사용하던 방식 대신에 third root를 사용하고 1-out-of-2 불확정 전송을 이용하는 에 관한 공정한 은닉 서명 기법에 사전 계산에 의한 검증 가능한 비대화형 불확정 전송 프로토콜을 적용하여 공정한 은닉 서명 프로토콜을 설계하였다. 또한 제안한 프로토콜을 Lein Harn, VNIOT 프로토콜 방식과 비교하여 분석하고, 프로토콜에 대하여 분석하였다.