[論文レビュー] IRS-based Wireless Jamming Attacks: When Jammers can Attack without Power

Bin Lyu, Dinh Thai Hoang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、内部電力消費を伴わずに正当な無線通信を破壊的に干渉させる、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を用いた新規のジャミング攻撃を提案する。反射係数と位相シフトを共同最適化することで、IRSは正当な送信者の信号を制御し、正当な受信者での受信電力を最小化する。これにより、信号電力が最大99％まで低下し、特定のシナリオでは従来のアクティブジャミングを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper proposes to use Intelligent Reflecting Surface (IRS) as a green jammer to attack a legitimate communication without using any internal energy to generate jamming signals. In particular, the IRS is used to intelligently reflect the signals from the legitimate transmitter to the legitimate receiver (LR) to guarantee that the received signals from direct and reflecting links can be added destructively, which thus diminishes the Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR) at the LR. To minimize the received signal power at the LR, we consider the joint optimization of magnitudes of reflection coefficients and discrete phase shifts at the IRS. Based on the block coordinate descent, semidefinite relaxation, and Gaussian randomization techniques, the solution can be obtained efficiently. Through simulation results, we show that by using the IRS-based jammer, we can reduce the signal power received at the LR by up to 99\%. Interestingly, the performance of the proposed IRS-based jammer is even better than that of the conventional active jamming attacks in some scenarios.

研究の動機と目的

• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）を無線ネットワークにおける受動的でエネルギー消費のないジャミング装置として使用する可能性を調査すること。
• ネットワーク性能の向上に活用されるIRSの活用が進む一方で、その悪意ある干渉源としての研究が不足している現状に対処すること。
• 新たなジャミング信号を生成するのではなく、既存の正当な信号を活用するジャミング戦略を設計すること。
• 反射係数と位相シフトを最適化して、正当な受信者での受信信号電力を最小化すること。
• 従来のアクティブジャミング攻撃と比較して性能を評価し、受動的IRSジャミングがアクティブ手法を上回るシナリオを示すこと。

提案手法

• IRSは正当な送信者（LT）からの信号を正当な受信者（LR）に反射させ、反射係数と位相シフトを制御する。
• 反射信号の振幅と位相を調整することで、LRでの合計受信信号電力を最小化するための共同最適化問題を定式化する。
• ブロック座標降下法（BCD）を用い、反射係数の大きさと離散的位相シフトを交互に最適化する。
• 位相シフトの連続的緩和には、半定値緩和（SDR）とガウスノイズ乱数化を用い、近似的最適解を取得する。
• 離散的位相シフトは、連続解を量子化することで得られ、実装可能性を確保する。
• 最適化は反復的に解き、部分問題の効率的数値計算にはCVXツールを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSを用いて、自らジャミング信号を生成せず、受動的かつエネルギー消費のないジャミング装置として、正当な無線通信を低下させることは可能か？
• RQ2 SINRの低下という観点から、IRSベースのジャミングは従来のアクティブジャミング攻撃と比べてどの程度の性能を示すか？
• RQ3 IRSのサイズ（反射素子数）がジャミング攻撃の効果に与える影響は何か？
• RQ4 LT、IRS、LR間の距離がジャミング性能に与える影響は何か？
• RQ5 内部送信電力を持たないにもかかわらず、どのような条件下で受動的IRSジャミングがアクティブジャミングを上回るのか？

主な発見

• 提案されたIRSベースのジャミング装置は、直接リンクと反射リンクからの破壊的干渉により、正当な受信者での受信信号電力を最大99％まで低下させる。
• アクティブジャミング電力が低い場合（例：15 dBm）、位相と振幅の精密な制御により、IRSベースのジャミングがアクティブジャミングを上回る性能を発揮する。
• IRSの反射素子数が200に達すると、35 dBmの送信電力を持つアクティブジャミングをも上回るジャミング性能を達成する。
• LTとIRS間の距離が7メートルを超えると、IRSでの信号強度が低下するため、攻撃性能が劣化する。
• LRがIRSから8メートル以内に位置する場合、提案手法は35 dBmのアクティブジャミングと同等のSINR低下効果を達成する。