KR102831566B1

KR102831566B1 - Fda 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102831566B1
Application number: KR1020240029272A
Authority: KR
Inventors: 정해준; 유병하; 황지준; 이예진; 신현동
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2024-02-28
Filing date: 2024-02-28
Publication date: 2025-07-07
Anticipated expiration: 2044-02-28

Abstract

본 발명은 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 서로 다른 주파수 간격을 가지는 다수의 서브 어레이가 형성되며, 생성된 송신 신호를 수신기로 송신하는 송신기와 상기 송신기로부터 송신 신호를 전달받는 일정간격으로 배열되어 있는 수신기를 포함하며, 상기 송신기는 상기 서브 어레이의 랜덤 방사 패턴을 기반으로 상기 신호를 상기 수신기에 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 복수의 송신 안테나를 요구하는 5G 및 6G 통신에서 밀리미터 파장 및 테라헤르츠 대역의 넓은 주파수 자원을 활용하여 도청을 방지하고 선택적으로 정보를 전송할 수 있는 물리계층 보안을 구현할 수 있는 것이다.

Description

FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법 {Wiretapping prevention system and method using subarray of random radiation based on Frequency Diverse Array}

본 발명은 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법에 관한 것이다.

무선 통신은 태생적으로 보안에 취약한 무선 채널을 통해 수행되므로 도청 등의 보안 위협에 아주 취약하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 크게 두 가지의 보안 기법이 존재한다. 첫 번째는 암호학 기반의 보안 기술이며, 두 번째는 물리 계층 보안 기술이다.

전통적인 암호학 기반의 보안 기술에서는 송신자가 보안키를 이용해 기밀 메시지를 암호화하고 암호화된 기밀메시지를 전송한다. 이 때, 암호화된 기밀 메시지를 복호하기 위해 수신자는 송신자의 보안키와 동일한 혹은 송신자의 보안키에 대응하는 보안키를 보유하고 있어야 한다.

이처럼 기존 암호학 기반의 보안 기술을 활용하기 위해서는 신뢰할 수 있는 기관을 통해 보안키를 사전에 공유해야 한다. 뿐만 아니라, 암호학 기반 보안 기술은 연산 복잡도에 의존한 보안을 제공하기 때문에 반도체 및 신호처리 기술의 발달에 따라 근시일 내에 한계에 다다를 것으로 예상된다.

특히, 프로세서의 연산 능력이 획기적으로 향상될 것으로 기대되는 양자 컴퓨터등이 상용화가 된다면 대부분의 암호학 기반 보안기술들은 무력화될 것으로 예상된다.

반면에, 물리 계층 보안 기술은 무선 채널, 열 잡음 등 다양한 물리 계층 자원의 물리적 특성을 활용하여 도청자의 도청 시도를 차단하는 방식이다.

상기와 같은 물리 계층 보안 기술을 사용하는 경우 기존 암호학 기반의 보안 기술처럼 보안키를 사전에 공유 또는 교환할 필요가 없으며, 또한 도청자의 연산 능력과 무관하게 보안 통신을 수행할 수 있다.

최근에는 대표적인 물리계층 보안기술 중의 하나인 안테나 요소 간에 주파수 오프셋을 두어 각도-거리 평면상에 집중된 빔 패턴을 형성할 수 있는 주파수 다양성 배열(Frequency Diverse Array, FDA)을 갖추고 있는 송신기를 이용한 보안기술에 대한 개발이 이루어지고 있다.

대한민국 특허공개 제2019-0090321호 대한민국 특허공개 제2009-0015474호

따라서, 본 발명은 선택적으로 정보를 전송하여 도청을 방지할 수 있는 물리계층 보안기술로서, 안테나 요소 간에 주파수 오프셋을 두어 각도-거리 평면상에 집중된 빔 패턴을 형성할 수 있는 주파수 다양성 배열 (Frequency Diverse Array, FDA)을 갖추고 있는 송신기를 활용하여 심볼 전송마다 임의로 빔포밍 벡터의 위상을 변화시켜 아날로그 빔포밍을 수행하는 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 랜덤방사(Randomized Radiation) 기술을 통하여 수신기가 정상적으로 정보를 수신할 수 있는 반면, 도청자는 잡음과 같은 신호를 수신하게 되어 도청이 불가능한 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템에 있어서, 서로 다른 주파수 간격을 가지는 다수의 서브 어레이가 형성되며, 수신기로 신호를 송신하는 송신기와 상기 송신기로부터 신호를 전달받으며, 일정간격으로 배열되어 있는 다수개의 수신기를 포함하여 이루어지되, 상기 송신기는 상기 서브 어레이의 랜덤 방사 패턴을 기반으로 하여 상기 신호를 상기 수신기에 전송하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신기의 서브 어레이는 상기 수신기에게 각도-거리 평면상 집중된 빔 패턴을 형성하기 위하여 주파수 다양성 어레이(FDA: Frequency Diverse Array)를 갖추고, 비선형적 FO(주파수 오프셋) 디자인을 사용한 것을 특징으로 한다.

상기 송신기는 상기 수신기에 전송하는 송신 데이터 심볼에 상기 서브 어레이에 대한 빔포밍 벡터 위상을 π 만큼 변화시켜, 아날로그 빔포밍을 실행하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신기는 상기 수신기에서 정상적인 정보를 수신할수 있도록 FDSA(Frequency Diversary Sub Array)를 이용한 랜덤 방사(Random Radiation)를 하는 것을 특징으로 한다.

상기 비선형적 디자인 주파수 오프셋은 로그적으로 증가하는 FO(주파수 오프셋) 및 Hamming 윈도우 기반 FO(주파수 오프셋)중에서 선택하되 전송전력이 낮으면, 상기 Hamming 윈도우 기반 주파수 오프셋을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신기의 보안 성능 평가를 위한 비밀률(η) = [log2(1 + γB) - log2(1 + γE )] 이며, 수신자 및 도청자 각각의 SNR(신호대 잡음비)에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

상기 랜덤 방사(Random Radiation)를 수행할 서브 세트의 갯수를 결정하여, 도청자의 도청을 방지할수 있는 것을 특징으로 한다.

FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 방법에 있어서, 송신기를 통하여 수신기 중에서 정보전송대상에 해당하는 수신기의 위치정보를 수집하는 단계와 상기 송신기에서 전송정보를 서브 어레이를 이용하여 랜덤 방사를 하는 단계; 및 상기 송신기에서 상기 랜덤 방사된 전송 정보를 수신기가 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 송신기의 서브 어레이는 상기 수신기에게 각도-거리 평면상 집중된 빔 패턴을 형성하기 위하여 주파수 다양성 어레이(FDA: Frequency Diverse Array)를 갖추고, 비선형적 FO(주파수 오프셋) 디자인을 사용한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 서브 세트의 갯수를 결정하여, 도청자의 도청을 방지할수 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 도청 방지 방법 중에서 어느 한 항에 기재된 도청 방지 방법을 컴퓨터에 의해 수행시키기 위해 기록 매체에 저장된 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의한 도청방지 시스템과 방법은 무작위로 위상배열의 하위집합이 샘플링되어 사이드 로브가 무작위 추출되어 잡음과 유사한 신호를 생성하여 도청자가 도청을 할수 없는 효과가 있다.

또한, 5G 및 차세대 무선 통신 시스템에도 적용 가능하며, 선택적으로 정보를 전송하여 도청을 방지할 수 있어 보안 전송을 달성할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 도청방지 시스템의 구성도이다.
도 2는 FDSA를 이용하여 송신기가 랜덤 방사의 실행을 하는 개념도이다.
도 3은 FDSA를 위한 선형 및 비선형 FO 설계의 사진이다.
도 4는 FO 설계의 취약한 영역을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 도청방지 방법의 흐름도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 도청방지 시스템의 구성도이고, 도 2는 FDSA를 이용하여 송신기가 랜덤 방사의 실행을 하는 개념도이고, 도 3은 FDSA를 위한 선형 및 비선형 FO(Frequency Offset) 설계의 사진이고, 도 4는 FO 설계의 취약한 영역을 나타낸 사진이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 도청방지 방법의 흐름도이다.

도 1은 본 발명의 도청방지시스템(T)의 대략적인 구성도를 나타낸 것으로, 송신자, 수신자 및 도청자가 있으며, 전체적인 발명의 개념도를 나타낸 것이다. 본 명세서는 이러한 적법한 송신자를 앨리스(A), 적법한 수신자를 밥(B) 그리고, 도청자를 이브(E)로 칭하기로 한다. 이하, 구성에 대한 간략한 설명을 하기로 한다.

송신기(100)는 서로 다른 주파수 간격을 가지며, 복수 개의 안테나를 각각 포함하는 다수의 서브 어레이(미도시)가 형성되며, 수신기(200)에 신호를 송신하며, 상기 송신기(100)로부터 신호를 전달받으며, 일정 간격으로 배열되어 있는 다수개의 수신기(200)를 포함한다. 여기서, 상기 송신기(100)는 상기 서브 어레이의 랜덤 방사 패턴을 기반으로 하여 상기 신호를 상기 수신기(100)에 전송하는 형태이다.

상기 송신기(100)는 각 안테나 사이에 분리가 일정거리 이격되어 다수개의 안테나를 동일한 간격으로 배치하는 ULA(uniform linear array) 형태를 이용하는 것을 특징으로 한다.

송신기(100)는 다중 안테나를 이용하고, 다수개의 수신기(200)들은 단일 또는 복수의 안테나(미도시)를 이용하며, 상기 송신기(100)에서 송신되는 신호는 빔포밍(Beamforming) 기법을 이용하여 상기 수신기(200)를 향해서 신호를 송신한다.

상기 수신기(200)는 상기 송신기(100)로부터 전송된 신호를 수신한다. 수신기(200)로 수신된 신호는 상기 빔포밍 기법에 의하여 잡음이 배제된 비밀 신호만을 포함하는 것이다.

도 2는 랜덤 방사 방식을 실행하는 FDSA(Frequency Diverse Sub Array) 방식을 사용한 것을 나타낸 예시도이다.

송신기(100: Alice)는 수신기(200)에 해당하는 Bob의 위치 혹은 채널 정보를 알고 있을 때 Bob에게 전송하는 송신 데이터 심볼마다 임의로 일부 서브어레이에 대한 빔포밍 벡터 위상을 Ø만큼 변화시켜 빔포밍을 실행한다. 이로 인해 Bob에게는 약간의 감도 손실이 일어나나, 메인로브(main lobe)가 형성되는 Bob을 제외한 위치에서 각도-거리 평면상 far-field 방사 패턴이 랜덤하게 왜곡된다. 이러한 방사 패턴의 랜덤 왜곡은 도청자(Eve)에게 인공 잡음과 같은 신호로 관찰되어 SNR(신호대 잡음비)의 큰 감소를 야기한다. 즉, 송신기(100)는 수신기(200)가 도청을 방지할수 있고, 정상적인 정보를 수신할수 있도록 하기 위해 FDSA를 이용한 랜덤 방사를 하는 것이다.

FDA를 기반으로 한 서브 어레이를 이용하여 랜덤 방사를 수행하면 Bob은 항상 동일한 수준의 감도로 신호를 수신할 수 있으며, Eve는 상기 FDA로 인한 사이드로브(side lobe)의 낮은 감도 수준 및 방사 패턴의 랜덤 왜곡을 겪는다.

따라서, 잠재적 Eve가 존재하는 상황에서 Bob에게만 안전하게 정보를 전송할 수 있는 공간 선택성을 확보할 수 있다.

도시된 대로, Bob과 Eve의 위치는 원점으로부터 각각의 범위 ρ와 양의 x축 방향으로부터의 각도 Ø로 표시된다. 여기서, Bob은 좌표(ρB, ØB)에 위치하고 Eve는 좌표 (ρE , ØE )에 위치한다.

또한, ULA(Uniform Linear Array)로 구성된 송신기(Tx: 도면부호 생략)가 x축을 따라 위치한다.

상기 ULA의 중심은 원점에 있으며 L = MN 요소로 구성된다. 이는 M개의 서브 어레이로 나누어지며, 각 서브 어레이는 N개의 요소로 구성된다.

따라서, m번째 서브 어레이의 n번째 요소((m, n)번째 요소라고 함)는 다음과 같다.

상기 [수학식 1]은 원점에서 멀리 떨어져 있는데 여기서, d는 안테나의 간격이다. 또한, m ∈ {1, 2, · · · , M} 및 n ∈ {1, 2, · · · , N}이다.

l번째 안테나 소자는 이하 방정식에서 등식과 같이 (m, n)번째에 매핑된다.

m = [(l-1)/ N ] + 1 그리고, n = mod (l -1, N) + 1, where l ∈

{1, 2, · · · , L}.

Bob 주위에만 메인 로브(main lobe)를 제한하는 기능을 부여하기 위해 FDSA를 채택했다. δm으로 표시된 FO(Frequency Offset) 매개변수는 FO 매개변수 벡터 δ ∈ R^1×M의 m번째 요소인 m번째 하위 어레이에 적용된다.

각 서브 어레이는 δ로 인해 서로 다른 빔 패턴을 생성한다. 또한, 서브 어레이에 적용되는 요소간 FO 설계를 위한 벡터는 Δf ∈ R^1×N 으로 표시된다. 따라서, 주파수 벡터 f ∈ R^1×L은 다음과 같이 주어진다.

(여기서, fc는 기준 주파수이고 a ⓧ b는 두 벡터 a와 b의 크로네커 곱)

ULA의 l번째 요소와 (ρ,Ø)에 위치한 수신기(예: Bob 또는 Eve) 사이의 채널은 채널 벡터 h*(ρ,Ø) ∈ C^1×L의 l번째 요소와 동일하다. [수학식 1]과 [수학식 2]를 사용하여 h*(ρ,Ø)의 l번째 또는 (m, n)번째 요소 으로 주어질수 있다.

이하, [수학식 3]인데 참고로, c는 빛의 속도이다.

빔포밍 벡터 g(k) = [g₁(k), g₂(k), · · · , g_L(k)]^T ∈ C^L×1, 여기서 g_l(k)는 l번째 안테나 요소의 k번째 전송 시간 구간(TTI: Transmission Time Interval: 전송 시간 간격)에 있는 ULA에 대한 빔형성 가중치이다. 상기 전송 시간 구간(TTI)이란 서브 프레임 단위로 신호의 송수신이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

s(k) ∈ C 라고 가정하면, E[|s(k)|2] = 1을 만족하고, TTI는 k번째 TTI 데이터 심벌을 의미하며, 상기 k번째 TTI에서 (ρ, Ø)에 위치한 수신기(200)에 의하여 신호를 수신하는데, 이를 이하의 [수학식 4]와 같이 표현될수 있다.

여기서, 송신기(100)는 P의 전력으로 s(k)를 전송하고, 수신기(200)는 추가적으로, 화이트 잡음 ν(k)가 적용된다.

그리고, 평균과 분산이 0인 복소 가우스 분포 σ²의 (ρ, Ø) 및 TTI k에서의 어레이 인자(factor)는 로 정의된다.

이하, 방사(radiation)에 대한 설명을 하기로 한다. 아날로그 빔포밍, 각도의 결과 빔 패턴-거리 평면은 일반적으로 목표물을 향해 직선으로 향한다. 그러나, 선형 FO(Lin-FO) 설계를 사용하는 경우, FDSA의 경우, Lin-FO 벡터 ΔfLin의 n번째 요소(element)는 다음과 같다.

상기 Lin-FO 빔패턴은 각도 범위 평면에서 원하는 목표 위치를 기준으로 회전하는 것으로 관찰된다. 상기 Lin-FO가 있는 서브 어레이가 서로 다른 FO 매개변수를 갖는 경우, 각도 범위 평면에서 Bob에 대한 집중 배열 이득은 중첩된 하위 빔에 의해 생성된다.

그러나, Lin-FO 접근방식에는 서브빔이 대상 위치에 집중되지 않고 단순히 회전되며 정규화된 패턴의 최대값이 여러개가 있다는 본질적인 한계가 있다.

본 발명의 일실시예는 비선형 주파수 오프셋(N-FO)을 채용하였는데, 그 이유는 선형 주파수 오프셋(L-FO)은 서브빔이 집중되지 않으며, 각도 범위에 따른 다양한 비선형 주파수 오프셋(N-FO)이 집중된 빔을 생성하는 빔 스티어링 모양을 만들고, 사이드 로브(side lobe)의 수준을 줄였다.

따라서, 송신기(100)의 서브 어레이는 수신기(200)에게 각도-거리 평면상 집중된 빔 패턴을 형성하기 위하여 주파수 다양성 어레이(FDA: Frequency Diverse Array)를 갖추고, 비선형 주파수 오프셋(N-FO) 설계를 채용한다.

상기 비선형 주파수 오프셋(이하, N-FO)의 종류로는 로그적으로 증가하는 FO(이하, Log-FO), 해밍(Hamming) 윈도우(Window) 기반 FO(이하, HW-FO) 및 삼각법 FO (이하, PT-FO)을 들수 있다.

첫번째로, 로그적으로 증가하는 Log-FO의 n번째 요소 벡터 Δf Log는 다음과 같이 [수학식 6]으로 주어진다.

두번째로, HW-FO 벡터의 n번째 요소 Δf_n ^HW는

마지막으로, PT-FO 벡터 Δf^PT의 n번째 요소는 다음과 같다.

이러한 비선형 주파수 오프셋(Non-linear FO)은 고정된 영역에 빔포밍을 위한 FDSA에 적용되는 것이다. 도 3에서 적용된 FO는 각 요소가 표시되며 곡선은 δm ×Δf를 나타낸다.

비교되는 FO 설계의 대역폭은 각 서브 어레이에 대해 동일하도록 보장되며, 이는 오프셋 설계가 동일한 서브 어레이에 대해 서로 동일한 대역폭을 갖도록 δ가 조정된다는 것을 의미한다.

도 3의 (a)에서, [수학식 5]의 Lin-FO를 FDSA에 적용하면 서브 어레이의 요소 주파수가 선형적으로 증가하거나 감소한다. [수학식 6]의 Log-FO를 적용하면 각 하위 배열의 주파수는 (b)와 같이 대수적으로 증가하거나 감소한다.

(c)에 표시된 [수학식 7]의 HW-FO의 경우, 오프셋은 서브 어레이의 중심 요소인 n = 7을 기준으로 대칭인 것으로 보인다.

마지막으로, (d)에서 [수학식 8]의 PT-FO에 대한 요소는 두 부분에 속하며 그 중 주기가 짧고 주기가 2배인 삼각함수이다.

그리고, 비선형 FO의 설계가 비밀률 측면에서, Lin-FO의 설계보다 우수하며, Log-FO와 HW-FO 설계 모두 FDSA에 적합한 선택이며, 그중 HW-FO가 특히 낮은 전송 전력 수준에서 특히 우수한 효과를 내는 것인데, 이를 설명하기로 한다.

도 4를 보면, Bob의 SNR이 12dB로 설정된 경우 4개 FO 설계의 취약한 영역을 나타낸 사진이다. 도면에 나타난 바와 같이, HW-FO와 함께 FDSA를 사용하는 무작위 방사선이 가장 작은 취약성을 제공함을 판별할수 있다. 다른 FO 설계와 비교하면 면적이 더 넓은 것이다.

또한, SNR이 10dB일 때, HW-FO는 Log-FO보다 성능이 우수하며 이는 전송 전력이 낮을 때, FDSA에 HW-FO를 사용하는 것이 바람직함을 나타내는 것이다.

도청 등의 개인 정보 유출을 더욱 억제하기 위해 랜덤 방사 방식을 기반으로 하는 안전한 전송이 가정된다. 위상 어레이를 사용하는 랜덤 방사 알고리즘에서 송신 안테나 요소는 모든 TTI(Transmit Time Interval: 전송 시간 간격)에 대해 두 개의 서브 세트로 분할된다. 하나의 서브 세트가 Bob를 향해 빔형성된다. 대조적으로, 다른 서브 세트는 Bob의 파괴적인 결합을 위한 것이다.

두번째 서브 세트의 위상이 반전되면, Eve는 TTI마다 무작위로 스크램블된 잡음과 유사한 신호를 관찰한다. 동시에 Bob의 어레이 게인은 약간 감소한다.

파괴적인 결합에. 즉, 어레이 팩터는 Bob에서 일정하게 유지되는 반면 채널이 저하되는 잠재적인 Eve에서는 변동한다.

알고리즘은 [수학식 5]의 선형 FO를 사용하여 FDSA에 의해 구현되도록 제안되었다. C(k)와 D(k)는 각각 Bob에서의 일관성 있는 빔 형성과 상쇄 결합을 위한 두 개의 서브 세트라고 가정한다.

이러한 서브 세트는 각각 Mc 및 Md =M - Mc 요소로 구성된다. 각 서브 어레이에는 N개의 요소가 있으므로, C(k)와 D(k)에 속하는 안테나 요소의 개수는 각각 McN과 MdN이다.

그 요소는 TTI마다 랜덤으로 변경된다. (m, n)번째 요소의 프리코딩 가중치는 다음과 같다.

결과적으로, (ρ, Ø) 및 TTI k에서의 어레이 팩터는 다음과 같이 주어진다.

여기서, υm(ρ,Ø) = ej(Ψm,n(ρB ,ØB ) - Ψm,n(ρ,Ø))이다.

여기서, 유의할 점은 상기 υm(ρ, Ø)은 ρ의 범위 뿐만아니라 Ø 방위각에만 의존하는 것이 아니라는 점이다. 이 특성은 제안된 방식을 방위각에만 의존하는 위상 배열을 사용하는 무작위 방사선과 구별된다. 또한, 함수 Ψm,n(ρ, Ø)는 선택한 오프셋 설계의 영향을 받아 해당 변형이 발생한다.

결과적으로, 랜덤 방사를 위하여 FDSA를 사용할 때, 랜덤화되는 과정은 각 오프셋 설계에 따라 뚜렷한 특징을 나타낸다.

그리고, 비선형 FO 설계를 통해, 서브 어레이는 정당한 수신자(Bob)에 초점을 맞춘 각도 범위 분리 빔 패턴을 형성 수 있으므로 상기 FDSA는 향상된 정밀도로 더 좁은 빔을 조종 가능한 것이다.

FDSA를 활용한 랜덤 방사구조의 비밀율은 앞서 언급한 [수학식 3]으로부터 유도된다. 더 나아가, 분석적 프레임 워크에 기반하여, 이부분에서 비선형 FOS가 이용될때, FDSA를 가진 랜덤 방사의 비밀율을 유도해낸다.

처음에, 상기 [수학식 9]에서 주어진 대로 통계적인 샘플의 합을 얻을수 있다.

한정된 샘플공간 U = {υm,n(ρ, Ø)|∀m}을 가정하면, 요소의 갯수는 M이다. 따라서, 랜덤 방사를 위한 2개의 랜덤 세트의 요소는 대체 불가한 U로부터 유도해낼 수 있는 것이다.

이하의 [수학식 11]로부터 대체됨이 없이, 완성되는 Md 샘플의 합인 것을 유의하여야 한다.

상기 [수학식 10]으로부터 μ(ρ, Ø)의 기대값은 아래 [수학식 12]에 의하여 얻어진다.

더 나아가, E[μ(ρ, Ø)²]을 유도해낼수 있다.

결과적으로, 어레이 팩터의 통계를 얻을수 있다. 앞서 언급한 [수학식 10]에서의 어레이 팩터(factor)의 기대값은 [수학식 12]를 보충함으로서 얻을수 있다.

더 나아가, 이하와 같이 식을 변화시킬수 있음을 예상할수 있다.

그러므로, 상기 [수학식 13]을 이용하여 아래의 [수학식 16]을 얻을수 있다.

비밀율은 η 이다. 정보가 신뢰성있고 보안성있게 전달될수 있는 최고의 성취 가능한 데이터 속도가 정의되는 것이다. 수신자(Bob)와 도청자(Eve)의 신호대 잡음비(SNR)를 받음으로 얻을수 있다.

이때, γB 및 γE는 각각 수신자(Bob)와 도청자(Eve)에서 수신된 신호대 잡음비(SNR)를 나타내고, [X] = max(0:X)이다.

원거리 방사 패턴을 왜곡함으로써 γE는 상당한 열화를 겪는 반면, γB는 약간의 감소를 겪는다. 어레이 이득 손실이 주로 γB에 영향을 미치고 γE를 크게 저하시키는 이러한 절충은 무작위 방사 기술의 기본 원리를 요약한다.

이것은, 어레이 인자는 상수 1을 관찰하는 Bob를 제외하고 복잡한 가우스 확률 변수로 근사화될 수 있음이 입증되었다.

결과적으로 각각 (ρ, Ø) = (ρB, ØB) 및 (ρ, Ø) = (ρE, ØE )에 위치한 Bob과 Eve의 채널 속도는 가산성 백색 가우스 잡음(AWGN: Addictive White Gaussian Noise) 채널 용량 공식을 이용하여 여기서, γB 및 γE는 다음과 같이 표현된다.

전술한 사항을 기반으로 하여 비밀율(η)의 닫힌 형식(closed-form)으로, 이하의 [수학식 20]으로 유도해낼수 있는 것이다.

즉, 수신자(Bob)와 도청자(Eve)의 신호대 잡음비(SNR)는 서브 세트의 개수, 및 상기 수신자 및 상기 도청자 각각의 위치에 기반하여 계산될 수 있다.

이와 같이 계산된 신호대 잡음비(SNR)를 앞서 언급한 [수학식 17]에 적용하면, 보안 전송률을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은 복수의 송신 안테나를 요구하는 5G 및 6G 통신에서 밀리미터 파장 및 테라헤르츠 대역의 넓은 주파수 자원을 활용하여 도청을 방지하고 선택적으로 정보를 전송할 수 있는 물리계층 보안을 구현할 수 있는 것이다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 방법에 관한 설명을 한다. 앞서 설명한 도청방지시스템(T)의 실시예와 중복되는 설명은 어느 정도 생략하기로 한다.

송신기(100)로 다수의 수신기(200) 중에서 상기 송신기(100)의 전송 정보의 대상에 해당하는 수신기(200)의 위치정보를 수집한다(S100). 상기 전송 정보의 분류와 위치정보를 수지하는 방법에 대한 자세한 설명은 본 발명의 목적과는 거리가 있으므로 생략하기로 한다.

다음으로, 다중 안테나를 가지는 송신기(100)에서 전송 정보를 서브 어레이(110)를 이용하여 랜덤 방사를 하여 도청자에게 잡음과 비슷한 신호를 수신하게 하여 도청을 방지하는 것이다(S200). 즉, 상기 S200에서는 랜덤 방사를 통하여 수신기(200)의 수신자인 Bob는 정상적으로 정보를 수신할수 있지만, 도청자(Eve)는 잡음과 같은 신호를 수신하게 되므로, 정보를 복조하기 어렵게 되는 것이다.

상기 송신기(100)를 통해서 수신기(200)에 전송할 정상적인 송신 정보를 수신기(200)가 안전하게 송신하는 것이다(S300). 따라서, 송신기(100)는 랜덤 방사를 통하여 도청을 방지하고 송신 신호를 무사히 수신기(200)에게 보낼수 있으며, 도청을 방지하므로, 자연스럽게 통신보안을 할수 있는 것이다.

이상에서 설명된 시스템 또는 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예 들에서 설명된 시스템, 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서, 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.

또한, 도청방지장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램, 코드, 명령, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파에 영구적으로,또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다.

소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서,분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장될 수 있다.

실시예들에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 송신기
200 : 수신기
T : 도청방지시스템

Claims

FDA(Frequency Diverse Array) 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 시스템에 있어서,
복수 개의 안테나를 각각 포함하는 다수의 서브 어레이를 구비하며 수신기로 신호를 송신하는 송신기; 및
상기 송신기로부터 신호를 수신하는 수신기를 포함하고,
상기 송신기는, 상기 각 서브 어레이에서 안테나 요소들 간에 비선형 주파수 오프셋(Frequency Offset)을 두어 상기 수신기를 향해 각도 거리 평면상 집중된 빔 패턴을 형성하도록 하되, 상기 서브 어레이들 간에 기 설정되는 주파수 오프셋 파라미터에 의해 서로 다른 빔 패턴을 형성하도록 하는 것으로, 각 서브 어레이에 적용되는 주파수 벡터()는 하기 수학식 1에 의해 표현되고,
(수학식 1)

: 기준 주파수
: 서브 어레이 별 설정되는 주파수 오프셋 파라미터
: 비선형 주파수 오프셋
상기 송신기는, 상기 수신기로 전송하는 송신 데이터 심볼마다 상기 서브 어레이들 중 랜덤하게 선택되는 일부 서브 어레이에 대해 빔포밍 벡터 위상을 변화시켜 메인 로브가 형성되는 상기 수신기를 제외한 위치에서 방사 패턴이 랜덤하게 왜곡되도록 함으로써, 상기 방사 패턴의 랜덤 왜곡이 도청자에게 인공 잡음으로 관찰되어 SNR(신호대 잡음비)를 감소시키도록 하는, 도청방지시스템.
삭제
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제1항에 있어서,
상기 비선형 주파수 오프셋은 로그적으로 증가하는 주파수 오프셋 및 Hamming 윈도우 기반 주파수 오프셋 중에서 선택하되 전송전력이 낮으면, 상기 Hamming 윈도우 기반 주파수 오프셋을 사용하는 것을 특징으로 하는 도청방지시스템.
제1항에 있어서,
상기 송신기의 보안 성능 평가를 위한 비밀률(η) = [log₂(1 + γB) - log₂(1 + γE)] 이며, 수신자(Bob) 및 도청자(Eve) 각각의 SNR(신호대 잡음비)에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 하는 도청방지시스템.
(여기서, 1 + γB는 수신자(Bob)의 SNR, 1 + γE는 도청자(Eve)의 SNR)
삭제
FDA 기반 서브 어레이의 랜덤 방사를 이용한 도청 방지 방법에 있어서,
송신기를 통하여 수신기 중에서 전송 정보 대상에 해당하는 수신기의 위치정보를 수집하는 단계; 및
상기 송신기에서 서브 어레이를 이용하여 랜덤 방사를 하여 신호를 상기 수신기로 송신하는 단계를 포함하고,
상기 송신하는 단계는,
상기 각 서브 어레이에서 안테나 요소들 간에 비선형 주파수 오프셋(Frequency Offset)을 두어 상기 수신기를 향해 각도 거리 평면상 집중된 빔 패턴을 형성하도록 하되, 상기 서브 어레이들 간에 기 설정되는 주파수 오프셋 파라미터에 의해 서로 다른 빔 패턴을 형성하도록 하는 것으로, 각 서브 어레이에 적용되는 주파수 벡터()는 하기 수학식 1에 의해 표현되고,
(수학식 1)

: 기준 주파수
: 서브 어레이 별 설정되는 주파수 오프셋 파라미터
: 비선형 주파수 오프셋
상기 수신기로 전송하는 송신 데이터 심볼마다 상기 서브 어레이들 중 랜덤하게 선택되는 일부 서브 어레이에 대해 빔포밍 벡터 위상을 변화시켜 메인 로브가 형성되는 상기 수신기를 제외한 위치에서 방사 패턴이 랜덤하게 왜곡되도록 함으로써, 상기 방사 패턴의 랜덤 왜곡이 도청자에게 인공 잡음으로 관찰되어 SNR(신호대 잡음비)를 감소시키도록 하는, 도청방지방법.
삭제
삭제
제8항에 있어서,
상기 비선형 주파수 오프셋은 로그적으로 증가하는 주파수 오프셋 및 Hamming 윈도우 기반 주파수 오프셋 중에서 선택하되 전송전력이 낮으면, 상기 Hamming 윈도우 기반 주파수 오프셋을 사용하는 것을 특징으로 하는 도청방지방법.
제 8항에 있어서,
상기 송신기의 보안 성능 평가를 위한 비밀률(η) = [log₂(1 + γB) - log₂(1 + γE )] 이며, 수신자(Bob) 및 도청자(Eve) 각각의 SNR(신호대 잡음비)에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 하는 도청방지방법.
(여기서, 1 + γB는 수신자(Bob)의 SNR, 1 + γE는 도청자(Eve)의 SNR)
제 12항에 있어서,
상기 수신자와 상기 도청자의 상기 SNR(신호대 잡음비)로 서브 세트의 갯수를 계산하여, 도청자의 도청을 방지할수 있는 것을 특징으로 하는 도청방지방법.
제8항, 제11항 내지 제13항 중에서 어느 한 항에 기재된 도청 방지 방법을 컴퓨터에 의해 수행시키기 위해 기록 매체에 저장된 프로그램.