This work considers the artificial noise (AN) assisted physical layer security. At first, we consider the artificial noise scheme for securing wireless communications over multiple-input multiple-output multi-antenna eavesdropper (MIMOME) channels. In this work, we develop a lower bound on the ergodic secrecy rate of the artificial noise scheme and derive an analytic closed-form expression of the lower bound without resorting any numerical integrations nor special functions. Moreover, the lower bound does not assume any asymptotes for system parameters, thus the derived lower bound explicitly elucidates how the system parameters exert influence on the secrecy rate in various cases to some of which the previous work cannot be applied. It will also be shown that the bound is tight over wide combinations of system parameters, and a normalized difference between the bound and secrecy rate vanishes with a growing number of antennas at the transmitter. The derived bound is analytically so amenable that it enables one to not only extend the results of the previous work but also explore untouched aspects of the AN scheme. Specifically, by investigating the optimal power allocation between the information-bearing and artificial noise signals, we can finally answer an intriguing question: when is the AN signal beneficial? Besides, it makes possible to study a new important system parameter called the minimum required transmit power for a certain target secrecy rate, which has never been touched before.
Secondly, we consider the AN scheme for correlated wiretap channels which consists mutually correlated main and wiretap channels. Since the channel correlation between the main and wiretap channels both increases the amount of information leakage to the eavesdropper and decreases the effective interference at the eavesdropper caused by the AN signal, the optimal power allocation should be reconsidered. Thus, we extend the lower bound developed for uncorrelated MIMO wiretap channel to mutually correlated multiple-input single-output (MISO) wiretap channel. From the extended lower bound, we identify the effects of channel correlation on the ergodic secrecy rate and the optimal power allocation. It is noteworthy that the channel correlation does not monotonically increase or decrease the optimal fraction of total power allocated to the AN signal, thus a careful power allocation should be adopted for enhancing the secrecy performance of correlated wiretap channels.
Finally, we consider the AN scheme with the legitimate receiver who has a full-duplex capability which enables itself to capture the secret message from the transmitter and simultaneously generate a jamming signal to strengthen security. While there have been studies on similar setups, most of them focus on the design of the jamming signal with the assumption of full channel-state information (CSI) and/or system parameter optimization based on numerical evaluations. On the contrary, this work introduces a tight lower bound on an achievable ergodic secrecy rate as a versatile analytic tool and derive a closed-form expression for the bound. To confirm the analytic results, we carry out numerical evaluations of the ergodic secrecy rate which are compared with the proposed lower bound.
본 논문에서는 인공 잡음 생성 기법을 활용한 물리계층 보안 기술에 관한 연구를 수행하였다. 첫째로, 다중 안테나 도청 채널에서 인공 잡음 생성 기법을 활용한 보안 통신 기술에 관해 연구하였다. 인공 잡음 생성 기법의 보안 성능을 평가하기 위한 척도로써 획득할 수 있는 보안 전송률을 고려하였으며, 획득할 수 있는 보안 전송률의 하계를 닫힌 형태 표현식으로 유도하였다. 제안한 보안 전송률의 하계는 기존 연구들과 달리 해석이 불가능한 적분식 및 특수 함수를 포함하지 않을 뿐 아니라 시스템 매개변수에 관한 어떠한 가정도 필요하지 않아 인공 잡음 생성 기법의 다양한 시스템 매개변수가 획득할 수 있는 보안 전송률에 미치는 영향을 직접적으로 확인할 수 있다. 또한, 제안한 하계와 실제 보안 전송률 사이의 정규화된 오차가 송신 안테나 수에 따라 감소하는 것을 보임으로써 제안한 하계가 실제 보안 전송률에 점근적으로 접근하는 것을 증명하였으며, 수치 해석적 방법을 활용해 시스템 매개변수의 모든 영역에서 제안한 보안 전송률의 하계가 실제 보안 전송률을 잘 예측하는 것을 확인하였다. 전술한 바와 같이 제안한 하계는 분석이 용이한 형태의 표현식으로 구성되어 기존 연구에서는 확인할 수 없던 새로운 측면에 관한 연구를 진행할 수 있었다. 특히, 기밀 메시지와 인공 잡음 사이의 전력 할당 비율에 따른 성능 분석을 통해 인공 잡음 신호가 보안 전송률 향상에 도움이 되는 조건을 분석하였으며, 목표 전송률을 획득하기 위한 최소 필요 송신 전력에 관한 연구 또한 최초로 진행하였다.
둘째로, 적법 채널과 도청 채널의 통계적 분포가 서로 상관관계를 갖는 상호 상관 도청 채널에서의 인공 잡음 생성 기법에 관한 연구를 진행하였다. 적법 채널과 도청 채널 사이의 채널 상관은 도청자에게 유출되는 정보량을 증가시킬 뿐 아니라 인공 잡음이 유발하는 실효 간섭의 영향을 감소시키기 때문에, 채널 상관을 고려한 성능 평가 및 전력 할당 기법에 관한 연구가 필수적이다. 이를 위해, 비상관 채널에서 획득한 기존 결과를 확장하여 상호 상관 다중 안테나 도청 채널에서 채널 상관도에 따라 획득할 수 있는 보안 전송률의 하계를 제안하고 닫힌 형태 표현식으로 유도하였다. 또한, 채널 상관을 고려한 보안 전송률의 하계를 활용해, 획득할 수 있는 보안 전송률을 최대화하는 전력 할당 기법에 관한 연구를 진행하였으며, 보안 전송률의 극대화를 위해서는 채널 상관에 따른 정밀한 전력 할당이 필수적임을 보였다.
마지막으로, 기밀 메시지의 수신과 보안 성능 향상을 위한 재밍을 동시에 수행할 수 있는 전 이중 수신기를 활용한 인공 잡음 생성 기법에 관한 연구를 진행하였다. 일반적으로 전 이중 수신기를 활용해 인공 잡음 생성 기법의 보안 전송률을 향상시킬 수 있음이 알려져 있으나, 기존 연구는 대부분 적법 사용자가 도청 채널에 대한 완벽한 정보를 알고 있다는 비현실적인 가정 하에 수행되었다. 본 연구에서는 도청 채널에 관한 통계적 특성만을 활용해 성능을 평가할 수 있는 보안 전송률의 하계를 닫힌 형태 표현식으로 유도함으로써 이러한 기존 연구들의 한계를 극복하였다. 제안한 보안 전송률의 하계는 전 이중 수신기를 활용한 인공 잡음 생성 기법의 보안 성능 평가 및 최적화를 위한 수단으로 활용될 수 있음을 보였으며 다양한 실험을 통해 결과를 검증하였다.
