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한국통신학회논문지

Secure Precoding Optimization with Limited Channel Information in a Multi-Eavesdropper Environment

Eunsung Choi, Jinseok Choi

Published Mar 20, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

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.

DOI
10.7840/kics.2026.51.3.661

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Optimal Power Allocation via Linear Programming for Physical Layer Security : Multiple-Eavesdropper and Multicasting Scenarios in Multi-Hop Relay Networks

Jong‐Ho Lee, Oh‐Soon Shin

본 논문에서는 무선 다중홉 복호 후 전달 릴레이 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 전력 할당 문제를 고려한다. 먼저, 하나의 송수신 쌍이 여러 도청자가 존재하는 상황에서 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 보안 전송을 수행하는 시나리오에 대한 전력 할당 문제를 유도한다. 그리고, 보안 전송율을 최대로 하는 최적의 전력 할당은 선형 계획법에 의해 얻을 수 있음을 보인다. 다음으로, 하나의 송신기가 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 다수의 수신기에 공통의 보안 정보를 송신하는 멀티캐스팅 시나리오에서 하나의 도청자가 존재할 때의 전력 할당 문제를 고려한다. 이와 같은 보안 멀티캐스팅 시나리오에서의 최적의 전력 할당 문제 또한 선형 계획법에 의해 해결될 수 있음을 보인다. 모의 실험을 통해 제안한 최적의 전력 할당이 다중 도청자 및 멀티캐스팅 시나리오에서 달성하는 보안 전송율을 검증한다.

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers•Jan 31, 2020•0 citations

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

Bangwon Seo

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.

The Journal of Korean Institute of Information Technology•Oct 29, 2019•0 citations

Wireless-Powered Secure Relaying Protocols for Minimizing Secrecy Outage Probability

Kisong Leew, Hyun-Ho Choi

본 논문에서는 사물인터넷 환경에서 센서의 전원 부족과 정보 보안 문제를 동시에 해결하기 위해 보안 릴레이 프로토콜을 제안한다. 무선 충전이 가능한 릴레이는 파워 분할 혹은 시간 전환 기법을 이용하여 수신한 RF 신호로부터 에너지를 하베스팅하고, 이 전력을 이용하여 수신한 신호를 목적지에 전달한다. 또한, 도청자가 발신원으로부터 전송되는 데이터를 해석하는 것을 막기 위해 목적지는 발신원이 데이터를 전송하는 동안 방해 전파를 전송한다. 정해진 기준 값 이상의 보안 전송 요구를 보장하기 위한 보안 아웃티지 확률을 수식적으로 도출하고, 이를 최소화 할 수 있는 파워 분할 및 시간 전환 비율을 찾는다. 다양한 환경에서 시뮬레이션을 통해 제안 방안이 기존 방안에 비해 보안 아웃티지 확률을 개선함을 보인다.

한국통신학회논문지•Jul 29, 2020•0 citations

Accumulated Artificial Codeword Addition Based Physical-Layer Security Scheme

Sangjoon Park

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.

한국통신학회논문지•Jul 25, 2021•0 citations

물리계층 보안을 위한 보안 전처리 기법의 설계 방법

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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.

한국통신학회지(정보와통신)•Jan 1, 2014•0 citations

A Novel Distributed Secret Key Extraction Technique for Wireless Network

Sanghun Im, Hyungsuk Jeon, Jeongseok Ha

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 비트 배열 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. In this paper, we present a secret key distribution protocol without resorting to a key management infrastructure targeting at providing a low-complexity distributed solution to wireless network. The proposed scheme extracts a secret key from the random fluctuation of wireless channels. By exploiting time division duplexing transmission, two legitimate users, Alice and Bob can have highly correlated channel gains due to channel reciprocity, and a pair of random bit sequences can be generated by quantizing the channel gains. We propose a novel adaptive quantization scheme that adjusts quantization thresholds according to channel variations and reduces the mismatch probability between generated bit sequences by Alice and Bob. BCH codes, as a low-complexity and pratical approach, are also employed to correct the mismatches between the pair of bit sequences and produce a secret key shared by Alice and Bob. To maximize the secret key extraction rate, the parameters, quantization levels and code rates of BCH codes are jointly optimized.

한국통신학회논문지•Dec 31, 2014•1 citation
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.
본 논문에서는 무선 다중홉 복호 후 전달 릴레이 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 전력 할당 문제를 고려한다. 먼저, 하나의 송수신 쌍이 여러 도청자가 존재하는 상황에서 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 보안 전송을 수행하는 시나리오에 대한 전력 할당 문제를 유도한다. 그리고, 보안 전송율을 최대로 하는 최적의 전력 할당은 선형 계획법에 의해 얻을 수 있음을 보인다. 다음으로, 하나의 송신기가 다중홉 복호 후 전달 릴레이의 도움을 받아 다수의 수신기에 공통의 보안 정보를 송신하는 멀티캐스팅 시나리오에서 하나의 도청자가 존재할 때의 전력 할당 문제를 고려한다. 이와 같은 보안 멀티캐스팅 시나리오에서의 최적의 전력 할당 문제 또한 선형 계획법에 의해 해결될 수 있음을 보인다. 모의 실험을 통해 제안한 최적의 전력 할당이 다중 도청자 및 멀티캐스팅 시나리오에서 달성하는 보안 전송율을 검증한다.
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 사물인터넷 환경에서 센서의 전원 부족과 정보 보안 문제를 동시에 해결하기 위해 보안 릴레이 프로토콜을 제안한다. 무선 충전이 가능한 릴레이는 파워 분할 혹은 시간 전환 기법을 이용하여 수신한 RF 신호로부터 에너지를 하베스팅하고, 이 전력을 이용하여 수신한 신호를 목적지에 전달한다. 또한, 도청자가 발신원으로부터 전송되는 데이터를 해석하는 것을 막기 위해 목적지는 발신원이 데이터를 전송하는 동안 방해 전파를 전송한다. 정해진 기준 값 이상의 보안 전송 요구를 보장하기 위한 보안 아웃티지 확률을 수식적으로 도출하고, 이를 최소화 할 수 있는 파워 분할 및 시간 전환 비율을 찾는다. 다양한 환경에서 시뮬레이션을 통해 제안 방안이 기존 방안에 비해 보안 아웃티지 확률을 개선함을 보인다.
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.
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.
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 비트 배열 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. In this paper, we present a secret key distribution protocol without resorting to a key management infrastructure targeting at providing a low-complexity distributed solution to wireless network. The proposed scheme extracts a secret key from the random fluctuation of wireless channels. By exploiting time division duplexing transmission, two legitimate users, Alice and Bob can have highly correlated channel gains due to channel reciprocity, and a pair of random bit sequences can be generated by quantizing the channel gains. We propose a novel adaptive quantization scheme that adjusts quantization thresholds according to channel variations and reduces the mismatch probability between generated bit sequences by Alice and Bob. BCH codes, as a low-complexity and pratical approach, are also employed to correct the mismatches between the pair of bit sequences and produce a secret key shared by Alice and Bob. To maximize the secret key extraction rate, the parameters, quantization levels and code rates of BCH codes are jointly optimized.