[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface-Assisted Secret Key Generation In Multi-antenna Network

You Chen, Guyue Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나(MISO) 시스템에서 스마트 반사 표면(IR)을 활용한 물리계층 비밀 키 생성 방식을 제안하여, IR 수동 beamforming을 최적화함으로써 비밀 키 전송률을 최대화한다. 정상 사용자와 도청자 간 채널 상관성을 모델링함으로써 저자들은 비밀 키 전송률의 상한선을 유도하고, 준정방형 완화(SDR)와 테일러 전개 기반 알고리즘을 제안하여 IR의 위상 이동을 공동 최적화함으로써 기준 대비 유의미하게 높은 키 전송률을 달성한다.

ABSTRACT

Physical-layer key generation (PKG) can generate symmetric keys between two communication ends based on the reciprocal uplink and downlink channels. By smartly reconfiguring the radio signal propagation, intelligent reflecting surface (IRS) is able to improve the secret key rate of PKG. However, existing works involving IRS-assisted PKG are concentrated in single-antenna wireless networks. So this paper investigates the problem of PKG in the IRS-assisted multiple-input single-output (MISO) system, which aims to maximize the secret key rate by optimally designing the IRS passive beamforming. First, we analyze the correlation between channel state information (CSI) of eavesdropper and legitimate ends and derive the expression of the upper bound of secret key rate under passive eavesdropping attack. Then, an optimal algorithm for designing IRS reflecting coefficients based on Semi-Definite Relaxation (SDR) and Taylor expansion is proposed to maximize the secret key rate. Numerical results show that our optimal IRS-assisted PKG scheme can achieve much higher secret key rate when compared with two benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 무선 네트워크에서 IRS 보조 물리계층 비밀 키 생성에 관한 연구 부족을 해결하기 위해.
• 정상 사용자와 도청자 간 채널 상관성이 비밀 키 전송률에 미치는 영향을 모델링하고 분석하기 위해.
• MISO 시스템에서 IR 수동 beamforming과 전송 beamforming을 공동 최적화하여 비밀 키 전송률의 상한선을 최대화하기 위해.
• 비볼록 성질을 갖는 비밀 키 전송률 최적화 문제를 다룰 수 있는 효율적인 최적화 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• L개의 수동 반사 요소로 구성된 IRS를 갖는 MISOSE(Multiple-Input Single-Output Single-Eavesdropper) 시스템 모델을 수립한다.
• 도청자 CSI와 정상 사용자 CSI 간 상관성을 바탕으로 비밀 키 전송률의 상한선을 유도한다.
• IRS 반사 계수를 위상 이동으로 모델링하고 비밀 키 전송률을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 분수형 프로그래밍 목적 함수를 근사하기 위해 테일러 전개를 적용하고, 질량-1 제약 조건을 처리하기 위해 준정방형 완화(SDR)를 사용한다.
• 볼록 최적화 기법을 사용하여 유도된 문제를 반복적으로 해결한다.
• 실제 경로 손실 및 레이일리 fading 모델을 사용한 시뮬레이션을 통해 알고리즘을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 보조 MISO 시스템에서 도청자와 정상 사용자 간 채널 상관성이 비밀 키 전송률의 상한선에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 채널 상관성이 존재할 조건에서 비밀 키 전송률을 최대화하기 위한 최적의 IRS 수동 beamforming 설계는 무엇인가?
• RQ3 IRS 요소 수와 기지국 안테나 수가 비밀 키 전송률과 비트 불일치 비율(BDR)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 최적화 알고리즘이 랜덤 위상 이동 및 비-IRS 기반 방법에 비해 비밀 키 전송률과 BDR 측면에서 우수한 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 IRS 보조 방식은 랜덤 IRS 위상 이동을 사용하는 기준 대비 유의미하게 높은 비밀 키 전송률을 달성하며, 특히 IRS 요소 수가 증가할수록 그 효과가 두드러진다.
• 비밀 키 전송률은 IRS 요소 수 L이 증가함에 따라 증가함을 확인하여, IRS가 키 생성 과정에서 새로운 자유도로 기여한다는 점을 입증한다.
• 도청자와 정상 사용자 간 채널 상관성이 비밀 키 전송률을 감소시키며, 이 감소 폭은 L과 M이 증가할수록 더욱 뚜렷해진다.
• 정상 당사자 간 채널 이득 일관성이 향상되어 제안된 방식에서 비트 불일치 비율(BDR)이 감소한다.
• 제안된 SDR 및 테일러 전개 기반 알고리즘이 시뮬레이션 결과에서 랜덤 위상 이동 및 비-IRS 기반 방법을 모두 능가하는 비밀 키 전송률을 효과적으로 최대화한다.
• 채널 상관 행렬의 고유값 분해를 통해 비밀 키 전송률의 상한선을 닫힌 형태로 유도함으로써 분석적 최적화가 가능해졌다.