Tackling the physical layer secrecy issue, existing studies on cooperative jamming generally assume the persistent jamming and perfect channel estimation at the receiver side. However, these two assumptions are incompatible since jamming signals can corrupt the pilot symbols for estimation. In addition, due to the energy budget limitation, persistent jamming is burdensome to the cooperative jammers. To address these issues, in this thesis, I first derive the achievable secrecy rate, applying channel estimation error effect in the equation, based on the cooperative jammer model that transmits artificial noise persistently in pilot phase and data phase. In this result, I reveal that physical-layer security can be enhanced by pilot jamming, which disrupts channel estimation at the eavesdropper. Moreover, in light of efficient use of jamming power, I propose the scheme of jamming power allocation between pilot jamming and data jamming, aiming at secrecy rate maximization. Since it is cumbersome to attain the cooperative jammer-to-eavesdropper channel information, we here deal with both the perfect channel state information (CSI) case and the imperfect cooperative jammer-to-eavesdropper CSI case to design beamforming at the coopertive jammer and to obtain the optimal jamming power allocation. Furthermore, I propose a cooperative jammer energy efficiency model based on the circuit power consumption model and verify the performance of the proposed jamming power allocation scheme, in terms of secrecy rate and energy efficiency, via numerical results. The result show that the pilot-only jamming scheme gains advantage from the shortened pilot phase duration, relative to data phase duration.
Since pilot phase is shorter than data phase in general, it is beneficial to jam only pilot signals in terms of circuit power consumption. Motivated by this fact, in this thesis, I subsequently propose a cooperative jamming scheme that delivers artificial noise only in pilot phase and optimize the corresponding beamforming to maximize secrecy rate by means of difference-of-convex (DC) algorithm and rank relaxation method. Furthermore, to account of energy budget limitation at the cooperative jammer, the energy efficiency of the proposed pilot-only jamming scheme is evaluated. In addition, a performance comparison between the proposed pilot-only jamming scheme and the conventional data-only jamming scheme, which is revised to fit in our framework, is accomplished via computer simulations. Also, motivated by the fact that the pilot sequence can be publicly known from its finite and standardized characteristic, I additionally introduce a deterministic design of pilot jamming symbols to achieve the physical-layer security enhancement.
On the other hand, for practical application and implementation, there have been great efforts to attain enhanced physical-layer security without CSI and location information of the eavesdropper. In this context, I finally turn to study a security enhancement in Poisson point process (PPP)-modeled stochastic wireless networks, dealing with a lack of the channel and location knowledge related to the eavesdropper. Specifically, I employ a system model with a protected zone, i.e., an eavesdropper-free area, and consider the worst scenario that the eavesdropper is located on the border of the protected zone. Assuming a pilot-assisted channel estimation at the receiver side, I derive the secrecy transmission rate, applying the channel estimation error effect in it and propose a power allocation between pilot and data transmission which maximizes the secrecy transmission rate. Numerical results show the existence of the optimal power allocation and show that the proposed scheme enhances the secrecy transmission rate.
물리 계층 보안 문제를 다룸에 있어, 현존하는 협력적 재밍 기법들은 일반적으로 지속적인 재밍과 수신단에서의 완벽한 채널 추정을 가정한다. 그러나, 재밍 신호는 파일럿 신호를 오염시켜 채널 추정에 오류를 줄 수 있기 때문에, 이 두 가정은 서로 상충된다. 더불어, 소비 에너지 제한 문제로 인해, 협력적 재머들에게 있어 지속적 재밍을 유지하는 것은 부담이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해, 본 학위 논문에서는 첫째로 다운링크 파일럿 구간과 데이터 구간 모두에 인공 잡음 신호를 방사하는 협력적 재머 모델을 토대로 수신단 채널 추정 오류가 반영된 보안 전송률을 유도하고, 파일럿 구간의 재밍으로 도청자의 채널 추정을 방해하여 물리 계층 보안성을 향상시킬 수 있다는 것을 보인다. 나아가, 재밍 전력의 효율적 활용을 위해 보안 전송률을 최대화하는 파일럿 구간-데이터 구간의 재밍 전력 분배 기법을 제안한다. 이 때, 협력적 재머-도청자 간 채널 정보를 획득하는 것에 어려움이 있다는 것을 고려, 해당 채널 정보가 정확한 경우와 부정확한 경우 모두에 대해 협력적 재머의 빔포밍을 설계하여 각 경우에 대한 최적의 전력 분배를 구한다. 더불어, 회로 전력 소비 모델을 기반으로 한 협력적 재머의 에너지 효율 모델을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 제안 기법의 보안 전송률 및 에너지 효율 성능을 분석한다. 그 결과로서, 파일럿 구간 길이가 데이터 구간에 비해 짧을수록 파일럿 구간만을 재밍하는 전략이 효과적임을 보인다.
일반적으로 다운링크 파일럿 구간은 데이터 구간보다 짧은 길이를 차지하기 때문에, 회로 동작에 드는 소비 전력의 측면에서 파일럿 신호만을 재밍하는 것이 데이터 신호를 재밍하는 것보다 유리하다. 이에 동기를 얻어, 본 학위 논문에서는 다음으로 파일럿 구간에만 인공 잡음을 방사하는 협력적 재밍 기법을 제안하고, difference-of-convex (DC) 알고리즘과 랭크 완화 방법을 사용하여 보안 전송률을 최대화하는 최적의 빔포밍을 설계한다. 더불어, 협력적 재머에서의 소비 에너지 제한 문제를 고려, 제안한 기법의 에너지 효율을 분석하며, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 데이터 구간에만 재밍을 하는 기법과의 성능 비교 분석을 수행한다.
한편 최근 물리 계층 보안 분야에서는, 도청자 채널 정보 획득의 어려움을 해소하기 위해 도청자 채널의 정보 없이도 데이터 보안성을 보장할 수 있는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 본 학위 논문에서는 마지막으로, 도청자 및 간섭자의 위치, 채널 이득을 특정할 수 없는 푸아송 점과정 (Poisson point process, PPP) 기반의 통계적 무선 네트워크에서 보호 영역을 활용하여 보안 송신률을 향상시키는 기법을 연구하며, 도청자가 보호 영역 경계에 위치한 최악의 상황을 고려함으로써 도청자 정보가 확보되지 않은 상황에서도 활용 가능한 기법을 제시한다. 구체적으로는, 기지국이 보호 영역 내 허가된 송수신자가 얻을 수 있는 보안 송신률을 유도하고, 이 보안 송신률을 최대화하는 파일럿 및 데이터 신호 간의 전력 분배 기법을 제안한다.
