[논문 리뷰] Secure Visible Light Communications via Intelligent Reflecting Surfaces

Lei Qian, Xuefen Chi외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 제어 가능한 거울 배열로 구현된 지능형 반사 표면(IRS)을 사용하는 가시광선 통신(VLC) 시스템을 위한 물리계층 보안 기법을 제안한다. 거리에 따라 반사된 신호를 정합된 사용자에게 집중시키고 탈취자에게의 누출을 최소화하기 위해 거울의 방향을 최적화함으로써 입자군집최적화(PSO)를 통해 비밀성 수신률을 극대화하여 기존 방법에 비해 뚜렷한 비밀성 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surfaces (IRS) can improve the physical layer security (PLS) by providing a controllable wireless environment. In this paper, we propose a novel PLS technique with the help of IRS implemented by an intelligent mirror array for the visible light communication (VLC) system. First, for the IRS aided VLC system containing an access point (AP), a legitimate user and an eavesdropper, the IRS channel gain and a lower bound of the achievable secrecy rate are derived. Further, to enhance the IRS channel gain of the legitimate user while restricting the IRS channel gain of the eavesdropper, we formulate an achievable secrecy rate maximization problem for the proposed IRS-aided PLS technique to find the optimal orientations of mirrors. Since the sensitivity of mirrors' orientations on the IRS channel gain makes the optimization problem hard to solve, we transform the original problem into a reflected spot position optimization problem and solve it by a particle swarm optimization (PSO) algorithm. Our simulation results show that secrecy performance can be significantly improved by adding an IRS in a VLC system.

연구 동기 및 목표

• 지능형 반사 표면(IRS)을 활용하여 가시광선 통신(VLC) 시스템의 물리계층 보안을 향상시키기.
• 합법 사용자와 탈취자가 존재하는 IRS 보조 VLC 시스템에서 IRS 채널 이득을 모델링하고 가용 비밀성 수신률의 하한을 유도하기.
• 합법 사용자의 채널 이득을 향상시키고 탈취자의 수신을 억제하기 위해 거울의 방향을 최적화하여 가용 비밀성 수신률 극대화 문제를 수립하고 해결하기.
• 고차원적이고 민감한 거울 방향 최적화 문제를 반사된 빛점 위치 최적화 문제로 변환하여 계산 복잡도를 감소시키기.

제안 방법

• 평면형 LED 소스(AP), 합법 사용자(밥), 탈취자(이브)를 포함하는 IRS 보조 VLC 시스템을 모델링하며, IRS로 거울 배열을 사용한다.
• 피크 전력 제약 조건 하에서 강도변조/직접검출(IM/DD) VLC 시스템에 대해 IRS 채널 이득과 가용 비밀성 수신률의 하한을 유도한다.
• 고차원적이고 민감한 거울 방향 최적화 문제를 복잡도를 줄이기 위해 반사된 빛점 위치 찾기 문제로 변환한다.
• 입자군집최적화(PSO)를 사용하여 반사된 빛점 위치 최적화 문제를 해결하고 비밀성 수신률 극대화를 목표로 한다.
• 고정 방향 빔포밍(FoB)과 반사된 빛점 찾기(RSF) 두 가지 거울 제어 방식을 비교하며, RSF는 반사된 빛점의 중심을 최적화한다.
• 기하광학 모델을 사용하여 조도와 채널 이득을 계산하며, 빛원천의 확장성과 반사된 빛점 영역을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거울 배열로 구성된 IRS가 VLC 시스템의 비밀성 수신률을 뚜렷이 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 거울의 방향을 최적화함으로써 합법 사용자와 탈취자 간의 채널 이득 차이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반사된 빛점의 위치가 IRS 보조 VLC 시스템의 가용 비밀성 수신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 RSF 방법은 기존의 FoB에 비해 비밀성 성능과 사용자 위치에 대한 강건성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 개별 거울 각도가 아닌 빛점 위치에 초점을 맞춤으로써 거울 방향 최적화의 복잡도를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RSF 방법은 이브가 백의 정확한 위치에 있을 경우를 제외한 모든 이브 위치에서 양의 가용 비밀성 수신률을 달성하며, FoB 및 비-IRS 방법에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.
• 이브가 백에 가까이 있을 경우, FoB는 신호 수신이 겹쳐져 실패하지만 RSF는 반사된 빛점을 이브에서 멀리 이동시켜 보안을 유지함으로써 비밀성 수신률 향상 효과가 가장 두드러진다.
• 5×5 거울 배열(각 거울 면적 0.1 m²)의 경우 RSF 방법은 모든 테스트 위치에서 비밀성 수신률이 0.3 nat/채널 사용을 초과 유지하지만, FoB는 비안전 영역(0.1 < x_Eve < 0.3 m)에서는 수신률이 0으로 떨어진다.
• 거울 크기를 증가시키면 FoB 성능은 일정 수준까지 향상되지만, 임계점을 넘어서면 더 큰 반사된 빛점 영역이 이브를 포함하게 되어 비밀성 수신률이 0이 되며, RSF는 적응형 빛점 위치 조절로 이를 피한다.
• RSF 방법은 거울 크기에 관계없이 안정적인 보안 통신을 유지하여 강건성과 확장성을 입증하며, FoB는 거울이 커질수록 신호 누출 증가로 인해 성능이 저하됨을 보여준다.
• 시뮬레이션 결과는 반사된 빛점이 백을 최적으로 커버하면서 이브를 배제하는 위치에 있을 때 비밀성 수신률이 극대화됨을 확인하여, 빛점 위치 기반 최적화 접근 방식의 효과성을 입증한다.