[논문]다양한 재밍 환경에서 시간도약 시스템 성능 분석

정효영; 이종환; 김기선

doi:10.9766/kimst.2018.21.1.115

문제 정의

하지만 다른 SS 시스템과는 달리 TH 시스템을 항재밍 시스템 측면에서 성능 검증한 연구가 불충분한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 TH 시스템 모델, 특성, 그리고 종류에 대해서 정리한다. 또한 다양한 재밍 시나리오에 대해 설명하고 해당 재밍에서 항재밍 성능을 검증한다.
본 논문에서는 전대역, 협대역, 부분대역 잡음재밍,그리고 스위프 재밍 환경에서 TH-PPM과 TH-BPSK를 포함하는 TH 시스템의 항재밍 성능을 검증하였다. 앞서 언급한 재밍 공격 중 PBNJ와 SJ 재밍이 가장 위협적인 것을 확인하였다.

가설 설정

실험에 사용한 FHSS시스템과 DSSS시스템은 [7]에서 사용되었다. FHSS시스템과 DSSS시스템의 chip 개수는 TH-PPM과 같이 3개를 가정하였다. FHSS시스템과 DSSS시스템의 BER성능 그래프는 노란색 그리고 빨간색으로 나타나며, [7]에서 유도한 이론값이다.
이 장에서는 3장에서 설명한 재밍 시나리오 환경하에 TH 시스템의 항재밍 성능을 분석한다. 본 논문에서 고려하는 TH 시스템에서는 싱글 유저를 가정하고 전송 채널은 잡음재밍 공격과 AWGN 잡음을 가정한다. 재밍공격을 고려한 수신 신호는 다음과 같다.
마지막으로, pulse shaper에서는 모노사이클을 생성하고 최종적으로 변조된 정보에 실어 전송하는 신호를 생성하게 된다. 본 논문에서의 수신채널은 다양한 재밍공격과 수신부에서 발생하는 additive white Gaussian noise(AWGN)가 중첩된 채널을 가정한다.

제안 방법

Fig. 11에서는 UPLST SJ환경에서 재밍공격을 방어하기에 더 적합한 시스템을 확인하기 위해 TH-PPM과 TH-BPSK의 SJR대비 항재밍 성능을 비교하였다. 본 시뮬레이션에서는 EbNo = 5, 10, 그리고 15 dB 일 때 항재밍 성능을 비교하였다.
그림에서 SJ가 재밍관점에서 가장 강력하다는 것을 확인할 수 있고, PBNJ는 SJ와 유사한재밍 성능을 보여준다. 따라서 다음 절에서는 PBNJ와SJ 중점적으로 TH 시스템의 항재밍 성능을 분석한다.
따라서 본 논문에서는 TH 시스템 모델, 특성, 그리고 종류에 대해서 정리한다. 또한 다양한 재밍 시나리오에 대해 설명하고 해당 재밍에서 항재밍 성능을 검증한다. 성능검증 시뮬레이션에서는 재밍의 효과와 파라미터들이 TH 시스템에 미치는 영향을 보여준다.
본 장에서 모든 재밍 환경에서 가장 TH 시스템에 치명적인 재밍을 보이고 가장 위협적인 PBNJ와 SJ환경에서 주요 파라미터들이 항재밍 성능에 미치는 영향을 분석한다. 마지막으로 SJ환경에서 TH-PPM과 TH-BPSK의 성능을 비교한다.
잡음재밍은적 장비에 대한 사전지식을 많이 요구하지 않기 때문에 실전에서 효율적으로 쓰이는 기법이다. 본 논문에서는 TH 시스템의 항재밍 성능을 검증하기 위해 전대역 잡음재밍(Broad Band Noise Jamming, BBNJ), 협대역 잡음재밍(Narrow Band Noise Jamming, NBNJ), 부분대역 잡음재밍(Partial Band Noise Jamming, PBNJ),그리고 스위프 재밍(Sweep Jamming, SJ)을 고려한다. Fig.
11에서는 UPLST SJ환경에서 재밍공격을 방어하기에 더 적합한 시스템을 확인하기 위해 TH-PPM과 TH-BPSK의 SJR대비 항재밍 성능을 비교하였다. 본 시뮬레이션에서는 EbNo = 5, 10, 그리고 15 dB 일 때 항재밍 성능을 비교하였다. 파란 그래프는 TH-PPM 그리고 빨간 그래프는 TH-BPSK의 BER성능을 의미한다.
Table 1은 본 시뮬레이션에 사용된 파라미터들을 나타낸다. 본 장에서 모든 재밍 환경에서 가장 TH 시스템에 치명적인 재밍을 보이고 가장 위협적인 PBNJ와 SJ환경에서 주요 파라미터들이 항재밍 성능에 미치는 영향을 분석한다. 마지막으로 SJ환경에서 TH-PPM과 TH-BPSK의 성능을 비교한다.
10에서는 UPLST SJ 실효재밍비율에 따른 THPPM 시스템의 항재밍 생능을 보여준다. 실험은 EbNo= 15 dB 잡음채널 환경에서 SJR이 -5, -10, 그리고 -15dB인 세 가지 재밍환경에 대하여 BER을 보여준다. 주파수 하한 B_l = 1 GHz, T_SJ 는 Fig.
실험은 EbNo= 15 dB 잡음채널 환경에서 SJR이 -5, -10, 그리고 -15dB인 세 가지 재밍환경에 대하여 BER을 보여준다. 주파수 하한 B_l = 1 GHz, T_SJ 는 Fig. 9에서 관찰한 최적의 시간 16 ns로 고정하고, B_u 을 1.5 GHz부터 6GHz까지 0.5 GHz 간격으로 증가시키며 시뮬레이션 하였다. 결과는 Fig.

이론/모형

본 논문에서는 Scholtz’s 모노사이클을 고려한다.

성능/효과

5 GHz 일 때 그래프이다. 10 %의 재밍비율일 경우 2.5 GHz와 3 GHz에서 30 %의 재밍비율일경우 2 GHz와 2.5 GHz일 때 TH-PPM의 BER성능이 가장 저하되는 것을 확인할 수 있다. 실제 재밍 공격 되어지는 영역을 알아보면 PBNJ가 2.
이러한 항재밍 성능 개선은 TH-PPM은 orthogonal signaling을 사용하고 TH-BPSK는 antipodalsignaling을 사용하는데서 찾을 수 있다. Antipodal 신호가 orthogonal 신호보다 파워를 더 효율적으로 쓰기 때문에 항재밍 성능이 좋아진다는 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과에서 TH-PPM 시스템의 저 SJR과 고SJR 모두에서 항재밍 성능이 FHSS와 DSSS시스템보다 강인하다는 것을 확인할 수 있다. FHSS 시스템은 저 SJR일 때 대략 -10 dB이하의 SJR 구간에서 가장 열악한 항재밍 성능을 나타나며, -5 dB 이상의 SJR 구간에서는 TH-PPM 시스템과 동등한 항재밍성능을 보여준다. 실험 결과 TH-PPM 시스템이 BBNJ환경에서 항재밍 시스템으로 다른 대역확산시스템보다유용하다는 것을 보여준다.
앞서 언급한 재밍 공격 중 PBNJ와 SJ 재밍이 가장 위협적인 것을 확인하였다. PBNJ의 경우 50 %의 실효재밍비율일 때 최적으로 시스템 성능을 저하시키고, 2.5GHz ~ 3.5 GHz 대역의 TH 신호를 공격할 때 TH 시스템의 성능이 급격히 저하되는 것을 확인하였다. 또한 SJ의 경우 스위프 주기에 따라 TH 시스템의 항재밍 성능이 달라지고 스위프 주기가 비트 한 개를 보내는 시간과 유사해 질 때 항재밍 성능이 강화된다는 것을 확인하였다.
SJR 값이 감소함에 따라 재밍비율에 의해 발생하는 BER 성능격차가 줄어든다. PBNJ환경과 유사하게 SJ환경에서 50 %의 재밍비율 즉 1 GHz ~ 3.5GHz의 재밍 대역폭이 가장 효과적인 것을 확인하였다.
파란 그래프는 TH-PPM 그리고 빨간 그래프는 TH-BPSK의 BER성능을 의미한다. 결과로 TH-BPSK가 TH-PPM보다 항재밍 성능이 우수하다는 것을 알 수 있고, 그 격차는 EbNo 값이 커질수록 커진다. 이러한 항재밍 성능 개선은 TH-PPM은 orthogonal signaling을 사용하고 TH-BPSK는 antipodalsignaling을 사용하는데서 찾을 수 있다.
1로 수렴한다. 따라서,이 실험을 통해 항재밍 성능의 포화를 고려한 PBNJ환경에서 가장 효율적인 재밍비율은 50 %임을 알 수 있다.
5 GHz 대역의 TH 신호를 공격할 때 TH 시스템의 성능이 급격히 저하되는 것을 확인하였다. 또한 SJ의 경우 스위프 주기에 따라 TH 시스템의 항재밍 성능이 달라지고 스위프 주기가 비트 한 개를 보내는 시간과 유사해 질 때 항재밍 성능이 강화된다는 것을 확인하였다. 게다가, 재밍관점에 서 SJ재밍의 가장 효과적인 실효재밍비율은 50 %이였다.
게다가, 재밍관점에 서 SJ재밍의 가장 효과적인 실효재밍비율은 50 %이였다. 마지막으로 TH-BPSK가 TH-PPM보다 월등히 좋은 항재밍 성능을 갖는다는 것을 확인하였다.
FHSS시스템과 DSSS시스템의 BER성능 그래프는 노란색 그리고 빨간색으로 나타나며, [7]에서 유도한 이론값이다. 시뮬레이션 결과에서 TH-PPM 시스템의 저 SJR과 고SJR 모두에서 항재밍 성능이 FHSS와 DSSS시스템보다 강인하다는 것을 확인할 수 있다. FHSS 시스템은 저 SJR일 때 대략 -10 dB이하의 SJR 구간에서 가장 열악한 항재밍 성능을 나타나며, -5 dB 이상의 SJR 구간에서는 TH-PPM 시스템과 동등한 항재밍성능을 보여준다.
5 GHz일 때 TH-PPM의 BER성능이 가장 저하되는 것을 확인할 수 있다. 실제 재밍 공격 되어지는 영역을 알아보면 PBNJ가 2.5 ~ 3.5 GHz를 공통적으로 공격할 때, 재밍성능은 가장 강력해지고 가장 많은 에러를 발생시킴을 확인할 수 있다. TH-PPM 시스템 관점에서 분석하면 2.
FHSS 시스템은 저 SJR일 때 대략 -10 dB이하의 SJR 구간에서 가장 열악한 항재밍 성능을 나타나며, -5 dB 이상의 SJR 구간에서는 TH-PPM 시스템과 동등한 항재밍성능을 보여준다. 실험 결과 TH-PPM 시스템이 BBNJ환경에서 항재밍 시스템으로 다른 대역확산시스템보다유용하다는 것을 보여준다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대역확산 시스템이란?	대역확산(Spread Spectrum, SS) 시스템은 재밍공격에대비한 항재밍 시스템으로 전술 군사 시스템에서 개발되었지만 그 효용성 때문에 이동통신, 위성통신, 그리고 근거리 통신 분야에서 활발히 활용되고 있다. 가장 대표적인 SS 기법으로 주파수도약(Frequency Hopping,FH)과 직접 시퀀스(Direct Sequence, DS) SS 시스템이 존재한다.
	가장 대표적인 SS 기법은 무엇이 있는가?	대역확산(Spread Spectrum, SS) 시스템은 재밍공격에대비한 항재밍 시스템으로 전술 군사 시스템에서 개발되었지만 그 효용성 때문에 이동통신, 위성통신, 그리고 근거리 통신 분야에서 활발히 활용되고 있다. 가장 대표적인 SS 기법으로 주파수도약(Frequency Hopping,FH)과 직접 시퀀스(Direct Sequence, DS) SS 시스템이 존재한다. FHSS 시스템은 pseudorandom sequence를 이용해서 보내고자 하는 신호의 carrier 주파수를 바꾸어간다.
	DS와 FH 시스템의 단점은 무엇인가?	비록 DS와 FH 시스템이 많이 활용되고 있지만 몇 가지 단점들이 있다. DSSS 시스템은 Gold sequence와 같은 유사잡음 sequence를 채택함으로 인하여 다중접속 성능 감소한다. FHSS 시스템은 구현이 복잡하고 팔로우 재머(follow jammer)와 신호를 변장하거나 속이는 스마트 재밍환경에서 성능을 보장해 주지 못한다. 이러한 DSSS와 FHSS 시스템의 단점을 보안하기 위해 강건하고 효율적인 SS 시스템이 필요하다.

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