상보잡음을 이용하여 채널용량 차이를 보장하는 완벽보안체계

Abstract

본 논문은 상보잡음을 다중경로에 주입함으로써 송신자-수신자와 송신자-도청자 사이 채널용량 차이를 보장함으로써 완벽보안을 보장하는 체계를 제안한다. 상보잡음이란 잡음 간의 음의 상관관계(anti-correlation)으로 인해 모든 잡음의 합이 0이 되는 특징을 갖는 잡음의 집합을 의미한다. 이러한 잡음을 다중경로에 주입해주면, 모든 경로 정보를 알고 있는 수신자는 잡음을 상쇄하여 높은 채널 용량을 확보한다. 반면, 경로 정보를 모르는 도청자는 잡음으로 인하여 채널용량이 제한되면서 보안을 보장하는 원리이다. 본 논문에서는 제안하는 방법을 광통신 기반으로 구현 하였다. 상보잡음을 생성하기 위해 Fab-ry-Perot Laser Diode (F-P LD)의 모드분할잡음을 잡음 소스로 사용하였고, 잡음 간의 상관관계(correlation)를 형성하기 위해 Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA)의 Gain Saturation을 응용하였다. 그 결과, 최대 3.01 bits/symbol의 Secure Capacity (송신자-수신자와 송신자-도청자 사이 채널 용량차이)를 확보할 수 있음을 확인하였다. 실제로는 4-Pulse Amplitude Modulation (4-PAM) 변조방식을 사용하여 신호를 전송함으로써 최대 2 Gb/s의 Secure Key Generation Rate을 갖는 보안 체계를 구현하였다. 또한, 본 논문에서는 다중경로에 도청을 시도하는 도청자에 대한 대응 체계에 대해 분석하였다. 실제로 도청자가 모든 상보잡음을 가져갈 가능성이 있으며, 신호 간의 correla-tion 정보는 도청자가 높은 채널용량을 확보하는데 중요한 힌트가 된다. 도청자로부터 correlation 정보를 숨기는 방법으로써 Chromatic Dispersion 효과를 적용하였다. 상보잡음에 Dispersion 효과를 주면 잡음의 상관관계가 De-correlation 방향으로 광 펄스의 broadening 이 나타남을 시뮬레이션으로 확인하였다. 그 결과, Fiber 500 km에 해당하는 Dispersion 효과를 적용하였을 때 잡음 간의 경로 차이를 보상해줬음에도 채널 용량이 낮게 유지되는 것을 확인하였다. 반면, 수신자는 Dispersion을 보상해줌으로써 높은 채널 용량을 획득할 수 있었다.