[논문 리뷰] Ergodic Secrecy Rate of RIS-Assisted Communication Systems in the Presence of Discrete Phase Shifts and Multiple Eavesdroppers

Peng Xu, Gaojie Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이산 단계를 가진 재구성 가능 지능형 표 superfice(RIS)-보조 시스템과 다수의 가로채기 수신기에서의 에르고딕 비밀 통신률(ESR)에 대한 폐쇄형 근사식을 유도하며, 비협력적 및 협력적 가로채기 수신기 모두에서 ESR이 RIS 요소 수 N에 대해 로그적으로 증가함을 보여준다. 분석은 단계 양자화 오차와 연결 채널 효과를 고려하며, 시뮬레이션과 渐近 분석을 통해 검증된다.

ABSTRACT

This letter investigates the ergodic secrecy rate (ESR) of a reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communication system in the presence of discrete phase shifts and multiple eavesdroppers (Eves). In particular, a closed-form approximation of the ESR is derived for both non-colluding and colluding Eves. The analytical results are shown to be accurate when the number of reflecting elements of the RIS $N$ is large. Asymptotic analysis is provided to investigate the impact of $N$ on the ESR, and it is proved that the ESR scales with $\\log_2 N$ for both non-colluding and colluding Eves. Numerical results are provided to verify the analytical results and the obtained scaling laws.

연구 동기 및 목표

• 이산 단계 조건과 실시간 가로채기 채널 상태 정보(CSI)가 미리 알려지지 않은 실용적 제약 조건 하에서 RIS 보조 시스템의 에르고딕 비밀 통신률(ESR)을 분석하는 것.
• 실시간 가로채기 CSI에 의존하지 않고 비협력적 및 협력적 가로채기 수신기 모두에 대해 ESR의 폐쇄형 근사식을 도출하는 것.
• 특히 대규모 N 영역에서 RIS 요소 수 N에 대한 ESR의 스케일링 행동을 조사하는 것.
• 실제 시스템 구성 조건 하에서 수치 시뮬레이션과 渐近 분석을 통해 분석 결과를 검증하는 것.

제안 방법

• 저자는 단일 안테나 송신기, 수신기 및 다수의 가로채기 수신기를 갖춘 RIS 보조 시스템을 모델링하며, 이산 단계 조절을 가진 N개의 능동적이지 않은 반사 요소로 구성된 균일한 선형 어레이를 사용한다.
• 가로채기 수신기에서 수신된 신호 대 잡음비(SNR)의 통계적 분포를 특성화하여 ESR의 폐쇄형 근사식을 유도하며, 단계 오차의 원형 대칭성을 활용한다.
• 단계 양자화 오차와 연결 채널(S→R→D 및 S→R→E_k)을 고려하여 정규화된 링크와 가로채기 링크에 미치는 영향을 구분한다.
• 이론적 유도는 ESR이 비협력적 및 협력적 가로채기 수신기 모두에서 log₂N 비례로 증가함을 보여주는 渐近 분석을 통해 뒷받침된다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 N과 K(가로채기 수)에서 분석 근사식의 타당성을 검증한다.
• 단계 유도에 기인한 랜덤 변수의 통계적 인덱스를 입증하기 위해 레마를 증명하며, 이는 가로채기 수신기에서의 SNR 모델링을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 단계 조절과 다수의 가로채기 수신기가 존재하는 조건에서 RIS 요소 수 N에 따른 에르고딕 비밀 통신률의 스케일링 특성은 어떻게 되는가?
• RQ2 가로채기 수신기 간 협력(협력적 대비 비협력적)은 달성 가능한 비밀 통신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실시간 가로채기 CSI가 필요 없이 ESR에 대한 폐쇄형 근사식을 도출할 수 있는가?
• RQ4 N이 증가함에 따라 분석 근사식의 정확도는 시뮬레이션 결과와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 비협력적 및 협력적 가로채기 수신기 모두에서 에르고딕 비밀 통신률(ESR)은 RIS 요소 수 N에 대해 로그적으로 증가하며, 즉 ESR ∝ log₂N이다.
• N = 100일 경우, 비협력적 가로채기 수신기에서는 ESR이 약 3.7 bps/Hz이며, 협력적 가로채기 수신기에서는 약 2.5 bps/Hz이다.
• N ≥ 46일 경우 분석 근사식은 몬테카를로 시뮬레이션과 매우 유사하며, N이 증가할수록 정확도가 향상된다.
• N이 10⁴를 초과할 경우 비협력적 및 협력적 가로채기 수신기 간 일정한 비밀 통신률 격차 약 1 bps/Hz가 존재한다.
• 비협력적 가로채기 수신기의 경우, K가 증가함에 따라 ESR은 약 5 bps/Hz의 하한선에 수렴하며, 이는 가장 가까운 가로채기 수신기(Eve)가 성능을 제한하기 때문이다.
• K가 증가할수록 근사식의 정밀도가 향상되어 고밀도 가로채기 환경에서 유도된 분석 모델의 강건성을 확인한다.