[논문 리뷰] Fixed Region Beamforming using Frequency Diverse Subarray for Secure Mmwave Wireless Communications

Yuanquan Hong, Xiaojun Jing외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 42인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파(mmWave) 통신에서 물리계층 보안(PLS)을 향상시키기 위해 주파수 다양성 서브어레이(FDSA) 아키텍처를 사용하는 고정 영역 빔포밍(FRB) 기술을 제안한다. 서브어레이 간에 다수의 주파수 오프셋 인크리먼트(FOI)를 도입함으로써, 원하는 각도 범위 영역(DARR) 내에서 에너지를 집중시키고 그 외부에서는 사이드로브를 억제하는 빔패턴을 구성함으로써 정보 전송을 국한시키고 기밀성률을 향상시킨다. 이 방법은 기존의 위상 배열(CPA) 기반 고정 각도 빔포밍보다 PLS 성능에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) using conventional phased array (CPA) enables highly directional and fixed angular beamforming (FAB), therefore enhancing physical layer security (PLS) in the angular domain. However, as the eavesdropper is located in the direction pointed by the mainlobe of the information-carrying beam, information leakage is inevitable and FAB cannot guarantee PLS performance. To address this threat, we propose a novel fixed region beamforming (FRB) by employing a frequency diverse subarray (FDSA) architecture to enhance the PLS performance for mmWave directional communications. In particular, we carefully introduce multiple frequency offset increments (FOIs) across subarrays to achieve a sophisticated beampattern synthesis that ensures a confined information transmission only within the desired angle-range region (DARR) in close vicinity of the target user. More specifically, we formulate the secrecy rate maximization problem with FRB over possible subarray FOIs, and consider two cases of interests, i.e., without/with the location information of eavesdropping, both turn out to be NP-hard. For the unknown eavesdropping location case, we propose a seeker optimization algorithm to minimize the maximum sidelobe peak of the beampattern outside the DARR. As for the known eavesdropping location case, a block coordinate descend linear approximation algorithm is proposed to minimize the sidelobe level in the eavesdropping region. By using the proposed FRB, the mainlobes of all subarrays are constructively superimposed in the DARR while the sidelobes are destructively overlayed outside the DARR. Therefore, FRB takes prominent effect on confining information transmission within the DARR. Numerical simulations demonstrate that the proposed FDSA-based FRB can provide superior PLS performance over the CPA-based FAB.

연구 동기 및 목표

• 기존의 고정 각도 빔포밍(FAB) 기술이 mmWave 시스템에서 주로 빔의 주로 빔 방향에 위치한 도청자들이 여전히 신호를 가로채는 한계를 해결하기 위해.
• 기존의 PLS 기법들이 도청자가 주로 빔의 주로 빔 또는 사이드로브 영역에 위치해 있다고 가정하는 취약성을 극복하기 위해.
• 기밀 전송을 고정된 각도 및 거리 영역(DARR) 내에 국한시켜 정보 泄露를 방지할 수 있는 빔포밍 아키텍처를 설계하기 위해.
• 기존의 최적화 알고리즘을 사용하여 도청자 위치가 알려진 경우와 알려지지 않은 경우에 모두 기밀성률 최대화 문제를 수식화하고 해결하기 위해.

제안 방법

• 각 서브어레이가 고유한 주파수 오프셋 인크리먼트(FOI)를 적용하여 거리-각도 의존성 빔패턴을 생성하는 주파수 다양성 서브어레이(FDSA) 아키텍처를 사용한다.
• 모든 서브어레이의 주로 빔이 원하는 각도-거리 영역(DARR) 내에서 강하게 간섭하여 주로 빔을 형성하고, 그 외부에서는 사이드로브가 상쇄되어 간섭함으로써 에너지 누설을 최소화한다.
• 빔패턴 형상 제약 조건을 포함한 기밀성률 최대화 프레임워크를 사용하며, 도청자 위치가 알려진 경우와 알려지지 않은 경우 모두 NP-하드 문제로 수식화한다.
• 도청자 위치가 알려지지 않은 경우, DARR 외부의 최대 사이드로브 피크를 최소화하기 위해 서치 최적화 알고리즘을 적용한다.
• 도청자 위치가 알려진 경우, 블록 좌표 강하 선형 근사 알고리즘을 사용하여 도청 영역 내의 사이드로브 수준을 최소화한다.
• 수학적 분석과 복소 신호 표현을 사용하여 피크 사이드로브 억제 조건을 유도하고 대칭성 및 빔패턴 성질을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주로 빔 방향에 도청자가 존재할 수 있는 상황에서, mmWave 신호 에너지를 고정된 각도 및 거리 영역 내에 국한시키는 빔포밍 아키텍처를 설계할 수 있는가?
• RQ2 주파수 다양성 서브어레이(FDSA) 구성 하에서 도청자 위치가 알려지지 않은 경우 또는 알려진 경우에 기밀성률을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ3 DARR 내에서 주로 빔을 구성하고 외부에서는 간섭을 유도하기 위해 서브어레이 간에 주파수 오프셋 인크리먼트(FOI)를 어떻게 분포시켜야 하는가?
• RQ4 실제 mmWave 환경에서 기존의 위상 배열(CPA) 기반 FAB에 비해 FDSA 기반 FRB 기술의 기밀성 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 FDSA 기반 FRB에서 NP-하드 기밀성률 최대화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 수학적 및 알고리즘 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 FDSA 기반 FRB는 특히 도청자가 주로 빔 근처에 위치한 경우 기존의 CPA 기반 FAB보다 뛰어난 물리계층 보안(PLS) 성능을 달성한다.
• 빔패턴 합성 기법은 DARR 내에서 주로 빔이 강하게 간섭하도록 하며, 그 외부에서는 사이드로브가 상쇄되어 누설를 최소화한다.
• 도청자 위치가 알려지지 않은 경우, 서치 최적화 알고리즘이 DARR 외부의 최대 사이드로브 피크를 성공적으로 최소화하여 강건성을 향상시킨다.
• 도청자 위치가 알려진 경우, 블록 좌표 강하 선형 근사 알고리즘이 도청 영역 내의 사이드로브 수준을 효과적으로 감소시켜 기밀성률을 향상시킨다.
• 해석적 결과는 FRB 빔패턴이 거리 축에 대해 대칭이며, 각도 축에 대해 켤레 대칭임을 확인하며, 이는 예측 가능하고 제어 가능한 복사 패턴을 가능하게 한다.
• 수치 시뮬레이션은 제안된 기술이 도청 조건이 심각한 상황에서도 기밀성률을 크게 향상시키고 전송을 원하는 영역 내에 효과적으로 국한시킴을 검증한다.