[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces-Enabled Vehicular Networks: A Physical Layer Security Perspective

Abubakar U. Makarfi, Khaled M. Rabie외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 49인용 수 47

한 줄 요약

본 논문은 RIS-가 적용된 차량 네트워크의 물리 계층 보안을 분석하고, 두 모델(V2V와 RIS-AP를 갖춘 모델, RIS 중계기를 갖춘 VANET)에 대한 ASC 및 SOP 표현식을 도출하며, 이를 몬테카를로 시뮬레이션으로 검증한다.

ABSTRACT

This paper studies the physical layer security (PLS) of a vehicular network employing reconfigurable intelligent surfaces (RISs). RIS technologies are emerging as an important paradigm for the realisation of next-generation smart radio environments, where large numbers of small, low-cost and passive elements, reflect the incident signal with an adjustable phase shift without requiring a dedicated energy source. Inspired by the promising potential of RIS-based transmission, we investigate the PLS of two vehicular network system models: One with vehicle-to-vehicle communication with the source employing a RIS-based access point, and the other is in the form of a vehicular adhoc network (VANET), with a RIS-based relay deployed on a building; both models assume the presence of an eavesdropper. The performance of the proposed systems are evaluated in terms of the average secrecy capacity (ASC) and the secrecy outage probability (SOP). We present accurate analytical expressions for the two performance metrics and study the impact of various system parameters on the overall performance of the two considered system configurations. Monte-Carlo simulations are provided throughout to validate the results. The results show that performance of the system in terms of the ASC and SOP is affected by the location of the RIS-relay as well as the number of RIS cells. Moreover, upto an order magnitude gain could be achieved within certain regions when the number of RIS cells are doubled, clearly indicating the benefit of employing a RIS configuration.

연구 동기 및 목표

• RIS를 이동 차량 네트워크의 실행 가능한 기술로 제시하여 물리 계층 보안을 강화한다.
• 두 가지 RIS‑활용 차량 시나리오를 모델링하고 도청 상황에서 기밀성 성능을 정량화한다.
• 평균 기밀성 용량(ASC)과 기밀성 누출 확률(SOP)에 대한 정확한 해석적 표현식을 도출한다.
• 매개변수 인사이트와 설계 지침을 용이하게 하기 위한 근사 닫힌 형태 해를 제공한다.

제안 방법

• 모델 1( RIS를 접근지점으로 하는 V2V): 수신처와 도청자의 SNR 표현식과 그 MGFs를 사용하여 ASC와 SOP를 도출한다; ASC를 결합적 적분으로 표현하고 MGF 기반 형태로 변환한다.
• 모델 2(VANET에서 RIS 중계기): 건물에 배치된 RIS를 중계기로 삼아 ASC와 SOP를 도출한다; 연쇄적 및 이중 Rayleigh 페이딩 채널을 다루고; MGFs를 얻고 SOP에 대해 중심극한정리를 사용한다.
• 연쇄된 채널의 MGFs와 CDF를 특징지하기 위해 Meijer G 함수와 Gauss 하이퍼기하 함수를 사용한다.
• 가용성을 위한 Jensen 불평등을 이용한 근사 ASC 표현을 제공한다.
• RIS 크기, 링크 거리, 송신 전력 등 시스템 매개변수에 걸친 몬테카를로 시뮬레이션으로 분석 결과를 검증한다.
• 더 쉬운 매개변수 분석을 가능하게 하는 닫힌 형태의 근사 ASC 표현을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 배치가( AP로서 또는 중계기로서) RIS‑활용 차량 네트워크에서 기밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 두 가지 RIS‑활용 차량 네트워크 모델에서 ASC와 SOP의 닫힌 형태 또는 쉽게 계산 가능한 표현은 무엇인가?
• RQ3 시스템 매개변수( RIS 셀의 수, 거리, 송신 전력)가 기밀성 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실용적 영역에서 근사 ASC 표현이 정확한 결과를 반영하는가?

주요 결과

• RIS 구성은 비RIS 구성에 비해 차량 네트워크에서 기밀성 용량을 향상시킨다.
• 기밀성 성능은 RIS 위치와 RIS 셀 수에 민감하며 더 큰 RIS가 상당한 이득을 제공한다.
• RIS 셀 수를 두 배로 늘리면 특정 구간에서 기밀성 지표가 최대 한 자릿수의 향상을 달성할 수 있다.
• 저자들은 정확한 해 표현식과 몬테카를로 결과와 잘 일치하는 처리 가능한 근사 닫힌 형태 해를 제시한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션이 다양한 매개변수 설정에서 해석적 결과를 검증한다.
• 본 연구는 5G 이후 차량 통신에서 RIS‑허용 접근 방식의 실현 가능성과 보안 이점을 입증한다.