[논문 리뷰] Secure M-PSK Communication via Directional Modulation

Ashkan Kalantari, Mojtaba Soltanalian외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 10.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 송신기를 사용한 안정적인 M-PSK 통신을 위한 방향성 변조 beamforming 기법을 제안한다. 수신기의 수신 신호 위상이 의도한 M-PSK 기호와 일치하도록 어레이 비임을 조정함으로써 정상 수신자에서의 신호 위상은 정확히 일치시키지만, 도청자에서는 다른 위상이 유도되어 도청자의 기호 오류율(SER)을 증가시키며, 도청자 채널 상태 정보(CSI)가 필요로 하지 않는다. 이 방법은 전력 소모가 낮고, 기존의 제로포싱 예비처리보다 도청자에서의 SER가 크게 높아져 유한 알파벳 신호에 대한 물리 계층 보안이 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, a directional modulation-based technique is devised to enhance the security of a multi-antenna wireless communication system employing M-PSK modulation to convey information. The directional modulation method operates by steering the array beam in such a way that the phase of the received signal at the receiver matches that of the intended M-PSK symbol. Due to the difference between the channels of the legitimate receiver and the eavesdropper, the signals received by the eavesdropper generally encompass a phase component different than the actual symbols. As a result, the transceiver which employs directional modulation can impose a high symbol error rate on the eavesdropper without requiring to know the eavesdropper's channel. The optimal directional modulation beamformer is designed to minimize the consumed power subject to satisfying a specific resulting phase and minimal signal amplitude at each antenna of the legitimate receiver. The simulation results show that the directional modulation results in a much higher symbol error rate at the eavesdropper compared to the conventional benchmark scheme, i.e., zero-forcing precoding at the transmitter.

연구 동기 및 목표

• 도청자 채널 상태 정보(CSI)가 필요로 하지 않는 다중 안테나 M-PSK 시스템에서 물리 계층 보안을 향상시키는 것.
• 전송 전력 소비를 최소화하면서 정상 수신자에서의 위상 정렬을 보장하고 각 송신 안테나에서 최소 신호 진폭을 확보하는 최적의 beamformer를 설계하는 것.
• 기본적인 제로포싱(ZF) 예비처리와 비교하여 기호 오류율(SER)과 전력 효율성 측면에서 방향성 변조의 성능을 평가하는 것.
• 도청자가 전반적인 CSI와 시스템 구성 정보를 모두 알고 있음에도 불구하고, 위상 불일치로 인해 방향성 변조 기법이 도청자에서 높은 SER를 유도할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 전체 전송 전력 소비를 최소화하면서 정상 수신자에서 수신 신호의 위상이 원하는 M-PSK 기호 위상과 일치하도록 beamformer 가중치를 최적화한다.
• 정상 수신자에서 신뢰성 있는 수신을 보장하기 위해 각 송신 안테나에서 최소한의 신호 진폭을 강제로 설정하는 beamforming 설계를 한다.
• 정상 수신자와 도청자 간의 채널 응답 차이를 활용하여 도청자에서 위상 불일치를 유도함으로써 도청자의 SER를 증가시킨다.
• 정상 수신자에서 제로포싱 또는 MMSE 처리가 필요로 하지 않아 수신기 설계가 단순화된다.
• 도청자가 전역 CSI와 시스템 파rameter(안테나 수, 변조 순서 등)를 모두 알고 있다는 가정 하에 beamformer를 설계한다.
• 기본적인 제로포싱 예비처리 기법과의 비교를 위해 시뮬레이션을 통해 SER와 전력 소비를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방향성 변조는 도청자 CSI가 필요로 하지 않고도 안정적인 M-PSK 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 방향성 변조와 제로포싱 예비처리 간 도청자에서의 기호 오류율(SER)은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기본적인 ZF 예비처리와 비교하여 방향성 변조 beamformer의 전력 효율성은 어떠한가?
• RQ4 송신 및 수신 안테나 수가 방향성 변조의 보안성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 도청자가 방향성 변조 기법에서 신호를 성공적으로 복원할 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 방향성 변조 기법은 특히 도청자가 더 많은 안테나를 보유한 경우, 제로포싱 예비처리에 비해 도청자에서 훨씬 높은 기호 오류율(SER)을 달성한다.
• L = 9 및 N = 8일 때, 도청자에서 방향성 변조와 ZF 간의 SER 차이가 N = 6일 때보다 더 크게 나타나, 더 큰 도청자 어레이에서 보안성이 향상됨을 시사한다.
• 특정 송신 안테나 수 L 범위에서 방향성 변조의 평균 소비 전력은 제로포싱 예비처리보다 낮으며, L이 증가함에 따라 전력 이점이 커진다.
• L = 8 및 N = 6일 때, 방향성 변조에서는 신호 수준 √γ가 증가함에 따라 도청자에서의 SER이 감소하지 않지만, 제로포싱(ZF)에서는 √γ 증가에 따라 SER이 감소함을 확인하였다.
• N < L일 경우, 도청자가 전체 CSI를 알고 있더라도 위상 불일치로 인해 방향성 변조에서 비례된 신호를 신뢰성 있게 추정할 수 없다.
• 정상 수신자는 제로포싱 또는 MMSE 처리가 필요로 하지 않아 수신기 구현이 단순화되고 복잡도가 감소한다.