[논문 리뷰] IRS-based Wireless Jamming Attacks: When Jammers can Attack without Power

Bin Lyu, Dinh Thai Hoang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IRS)을 사용하여 내부 전력 소비 없이도 합법적인 무선 통신을 파괴적으로 간섭시키는 새로운 IRS 기반의 임의의 공격을 제안한다. 반사 계수와 위상 이동을 공동 최적화함으로써 IRS는 합법적 송신기의 신호를 수신기에서 수신 전력이 최소가 되도록 재방향화하여, 신호 전력의 최대 99% 감소를 달성하며, 특정 시나리오에서는 전통적인 능동 잠재 공격보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사 표면(IRS)을 무선 네트워크에서 수동적이고 에너지가 소모되지 않는 간섭기로 사용할 수 있는지의 가능성을 조사하는 것.
• 네트워크 성능 향상에 활용되는 경우가 늘어나고 있음에도 불구하고, IRS를 악성 간섭원으로 삼는 연구의 부족을 해결하는 것.
• 새로운 간섭 신호를 생성하는 대신 기존의 합법적 신호를 활용하는 간섭 전략을 설계하는 것.
• 반사 계수와 위상 이동을 최적화하여 합법적 수신기에서 수신되는 신호 전력을 최소화하는 것.
• 기존의 능동 잠재 공격과의 성능 비교를 통해, 수동 IRS 간섭이 어떤 상황에서 능동 방법을 능가하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 합법적 송신기(LT)에서 오는 신호를 지능형 반사 표면(IRS)이 반사하여 합법적 수신기(LR)로 전달하며, 반사 계수와 위상 이동을 제어한다.
• 반사 신호의 진폭과 위상을 조절하여 LR에서 수신하는 총 신호 전력을 최소화하는 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 블록 좌표 강하(BCD) 방법을 적용하여 반사 계수의 크기와 이산 위상 이동을 번갈아 최적화한다.
• 위상 이동의 연속적 근사화를 위해 정규화된 정수형 프로그래밍(SDR)과 가우시안 랜덤화 기법을 사용하여 근사 최적 해를 확보한다.
• 이산 위상 이동은 연속적 해를 양자화하여 실용적인 구현을 보장한다.
• 최적화는 반복적으로 해결되며, 하위 문제의 효율적 수치 계산을 위해 CVX 도구를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 사용하여 자체 간섭 신호를 생성하지 않고도 내부 전력 소비 없이 합법적 무선 통신을 저하시키는 수동적, 에너지 중립적 간섭기로 활용할 수 있는가?
• RQ2 SINR 저하 측면에서 IRS 기반 간섭의 성능은 기존의 능동 잠재 공격과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 IRS 크기(반사 요소의 수)가 간섭 공격의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LT, IRS, LR 간의 거리가 간섭 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내부 전송 전력 없이도 수동 IRS 간섭이 능동 간섭을 능가할 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 IRS 기반 간섭기는 직접 경로와 반사 경로의 간섭을 통해 합법적 수신기에서 수신 전력을 최대 99% 감소시킨다.
• 낮은 능동 간섭 전력(예: 15 dBm) 조건에서는 정밀한 위상 및 진폭 제어 덕분에 IRS 기반 간섭기가 능동 간섭보다 더 우수한 성능을 달성한다.
• IRS 반사 요소 수가 200개에 도달하면, 35 dBm 전송 전력을 가진 능동 간섭보다도 성능이 뛰어나지 못한다.
• LT와 IRS 간 거리가 7미터를 초과하면 IRS에서의 신호 강도가 감소하여 공격 성능이 저하된다.
• LR가 IRS에서 8미터 이내에 있을 경우, 제안된 방법은 35 dBm 전력의 능동 간섭과 유사한 SINR 저하 성능을 달성한다.