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The Journal of Korean Institute of Information Technology

Simple Precoding Scheme Considering Physical Layer Security in Multi-user MISO Interference Channel

Bangwon Seo

Published Oct 29, 2019• 0 citations
Publisher

Abstract

본 논문은 다중 사용자 다중 입력 단일 출력 (MISO) 간섭 채널에서 복수의 도청자가 존재하는 경우에, 보안 채널 수율을 향상시키기 위한 간단한 프리코딩 벡터 설계 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 보안 채널 수율을 최적화하는 문제에 대해 다루었으며, 수학식으로 주어지는 분석해를 구하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해서 신호대 누수 잡음비 (SLNR) 기반으로 프리코딩 벡터를 설계하는 방법을 제시한다. 구체적으로는, 도청자가 정보 신호를 전혀 검출할 수 없도록 도청 채널 수율을 완전히 제거하면서, 송신단-수신단 링크 간의 채널 수율을 최대화시키도록 프리코딩 벡터를 설계한다. 성능 검증을 위하여 모의실험을 수행하였으며, 송신 안테나 개수, 송신단-수신단 링크 개수, 도청자 수 간에 특별한 조건식을 만족하지 않는 환경에서는, 제안하는 기법이 모든 신호대 잡음비 범위에서 기존 기법보다 더 우수한 보안 채널 수율을 나타낸다는 것을 제시한다.

DOI
10.14801/jkiit.2019.17.10.49

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본 논문에서는 다수의 도청자가 존재하는 현실적인 통신 환경에서 송신기가 부분적인 채널 상태 정보(CSIT)만을 아는 제약 조건 하에 물리 계층 보안을 강화하는 새로운 프레임워크를 제안한다. 제안하는 기법은 보안 프리코더와 인공 잡음(AN) 공분산 행렬의 통합 최적화를 통해 합 보안율을 극대화하는 것을 목표로 한다. 부분 CSIT를 활용하기 위해, 먼저 에르고딕 채널 용량을 근사하고 이를 통해 다루기 어려운 비볼록 최적화 문제를 해석적으로 다루기 용이한 비선형 고유값 문제(NEP)로 재구성한다. 이 구조를 기반으로, GPI 기법을 사용하여 프리코더와 AN을 공동으로 최적화함으로써 비공모 및 공모 환경에서 우수한 정상점을 계산하는 효율적인 알고리즘을 개발한다. 시뮬레이션을 통해 제안된 기법의 우수한 성능을 검증하며, 미래 무선 네트워크를 위한 실용적인 보안 솔루션이 될 수 있음을 입증한다.

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무선 네트워크의 고밀도화(단위 면적당 안테나 혹은 기지국의 수)에 의해 송신기와 수신기 사이의 채널은 높은 편파 분리도의 성격을 띤다. 본 논문은 이러한 채널에서 최대로 얻을 수 있는 보안 전송률 및 그에 따른 송신 부호화기를 유도한다. 이를 위해 하나의 송신기, 수신기, 그리고 도청기를 가정하고 이들을 이중 편파된 MISO (multiple-input and single-output) 채널로 연결한다. 최대 보안 전송률의 정의에 따라 최적화 문제를 설정하고 접근 가능한 채널 정보에 따라 송신 부호화기를 유도한다. 얻어진 송신 부호화기를 분석하여 채널의 편파 분리도가 증가할수록 최대 보안 전송률은 감소함을 보이며 시뮬레이션 결과를 통해 검증한다.

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본 논문은 다중 사용자 다중 입력 단일 출력 (MISO) 간섭 채널에서 복수의 도청자가 존재하는 경우에, 보안 채널 수율을 향상시키기 위한 간단한 프리코딩 벡터 설계 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 보안 채널 수율을 최적화하는 문제에 대해 다루었으며, 수학식으로 주어지는 분석해를 구하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해서 신호대 누수 잡음비 (SLNR) 기반으로 프리코딩 벡터를 설계하는 방법을 제시한다. 구체적으로는, 도청자가 정보 신호를 전혀 검출할 수 없도록 도청 채널 수율을 완전히 제거하면서, 송신단-수신단 링크 간의 채널 수율을 최대화시키도록 프리코딩 벡터를 설계한다. 성능 검증을 위하여 모의실험을 수행하였으며, 송신 안테나 개수, 송신단-수신단 링크 개수, 도청자 수 간에 특별한 조건식을 만족하지 않는 환경에서는, 제안하는 기법이 모든 신호대 잡음비 범위에서 기존 기법보다 더 우수한 보안 채널 수율을 나타낸다는 것을 제시한다.
본 논문에서는 다수의 도청자가 존재하는 현실적인 통신 환경에서 송신기가 부분적인 채널 상태 정보(CSIT)만을 아는 제약 조건 하에 물리 계층 보안을 강화하는 새로운 프레임워크를 제안한다. 제안하는 기법은 보안 프리코더와 인공 잡음(AN) 공분산 행렬의 통합 최적화를 통해 합 보안율을 극대화하는 것을 목표로 한다. 부분 CSIT를 활용하기 위해, 먼저 에르고딕 채널 용량을 근사하고 이를 통해 다루기 어려운 비볼록 최적화 문제를 해석적으로 다루기 용이한 비선형 고유값 문제(NEP)로 재구성한다. 이 구조를 기반으로, GPI 기법을 사용하여 프리코더와 AN을 공동으로 최적화함으로써 비공모 및 공모 환경에서 우수한 정상점을 계산하는 효율적인 알고리즘을 개발한다. 시뮬레이션을 통해 제안된 기법의 우수한 성능을 검증하며, 미래 무선 네트워크를 위한 실용적인 보안 솔루션이 될 수 있음을 입증한다.
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본 논문에서는 도청자가 존재하는 채널 환경을 위한 누적 인공 부호어 가산 기반 물리계층 보안 기법을 제안한다. 제안 기법은 매 전송시간마다 정상적인 송수신단 사이에 교환된 정보를 이용하여 인공 부호어를 생성하고, 현재까지 생성된 인공 부호어들을 합한 누적인공 부호어를 정상 부호어와 가산하여 전송한다. 이때 누적 인공 부호어로 인한 오류는 부호어의 형태이므로 도청자의 미검출 복호 오류 확률을 증가시킬 수 있다. 모의실험 결과 제안 기법이 채널 부호화가 적용된 시스템에서 도청자의 오류 확률을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
무선 네트워크의 고밀도화(단위 면적당 안테나 혹은 기지국의 수)에 의해 송신기와 수신기 사이의 채널은 높은 편파 분리도의 성격을 띤다. 본 논문은 이러한 채널에서 최대로 얻을 수 있는 보안 전송률 및 그에 따른 송신 부호화기를 유도한다. 이를 위해 하나의 송신기, 수신기, 그리고 도청기를 가정하고 이들을 이중 편파된 MISO (multiple-input and single-output) 채널로 연결한다. 최대 보안 전송률의 정의에 따라 최적화 문제를 설정하고 접근 가능한 채널 정보에 따라 송신 부호화기를 유도한다. 얻어진 송신 부호화기를 분석하여 채널의 편파 분리도가 증가할수록 최대 보안 전송률은 감소함을 보이며 시뮬레이션 결과를 통해 검증한다.
본 논문에서는 증폭후전송 (amplify-and-forward, AF) 기반의 중계 전송 시스템에서 통신 정보를 도청하는 도청자가 존재하는 환경인 와이어탭 채널 (wiretap channel)에서의 물리 계층 보안에 대한 분석을 한다. 와이어탭 채널환경에서 원천 노드, 목적지 노드, 중계 노드, 도청 노드가 각각 한 개씩 존재한다고 가정하며, 특히 중계 노드는 다수의 안테나를 가지고 있는 시스템을 고려한다. 중계 노드에서는 AF 전송시에 다이버시티 (diversity) 이득을 취하기 위한 안테나 선택 기법을 적용하였다. 구체적으로, 중계 노드에서 데이터 수·송신시 신호대잡음비를 최대화 할 수 있는 안테나를 선택하여 동작한다. 보다 실질적인 환경을 고려하기 위하여 중계 노드에서 목적지 노드로 전송할 때 도청 노드에 대한 채널 정보는 없는 환경을 고려하였다. 제안된 시스템의 보안 성능 분석을 위하여 보안 불통 확률 (secrecy outage probability)를 한 개의 적분 형태로 구하였으며, 시뮬레이션 결과를 통하여 해당 성능 분석이 올바름을 보인다.
본 논문에서는 물리 계층에서 보안을 고려한 시스템을 제공하기 위해 Gaussian Wiretap Channel 상황에서 보안 전송을 가능하게 하는 보안 전처리 기법의 설계 방법에 대해서 살펴본다. 무선 통신 채널의 경우, 통신 채널이 누구에게나 개방되어 있기 때문에 무엇보다도 보안에 취약하다. 하지만 숨기고자 하는 보안 메시지를 채널 부호화 및 변조 과정 이전에 보안을 위한 전처리 기법을 적용함으로써 물리계층에서 데이터를 보다 안전하게 전송하는 것이 가능해진다. 이를 위해 기존의 Random하게 생성된 Scrambling matrix를 이용하여 물리계층 보안을 유지하는 전처리 기법을 바탕으로 Scrambling matrix의 hamming distance를 이용하여 높은 보안성 및 신뢰도를 가지는 Scrambling matrix 설계 방법을 제안한다. 또한 부호율 1을 가지는 soft decision decoding 기반의 새로운 보안 전처리 기법을 제안함으로써 물리계층에서의 보안성 확보 가능성을 확인하였다.