[논문 리뷰] Securing Visible Light Communication Systems by Beamforming in the Presence of Randomly Distributed Eavesdroppers

Sung Hwan Cho, Gaojie Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 21.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 LED 송신기와 단일 사용자 장비(UE)를 갖춘 가시광통신(VLC) 시스템에서, eavesdropper(ED)의 위치에 대한 통계적 지식만을 사용하여 무작위로 분포된 ED에 대한 전송을 보장하는 최적의 빔포밍 방안을 제안한다. ED 프로세스의 강도와 목적 채널을 기반으로 빔포밍을 최적화함으로써, LED 선택 기반 방식보다 뛰어난 비밀성 성능을 달성하며, 비밀성 중단 확률(SOP)에 대한 폐쇄형 근사식을 비밀성 용량 경계를 통해 유도한다.

ABSTRACT

This paper considers secrecy enhancement mechanisms in visible light communication (VLC) systems with spatially distributed passive eavesdroppers (EDs) under the assumption that there are multiple LED transmitters and one legitimate receiver (UE). Based on certain amplitude constraints, we propose an optimal beamforming scheme to optimize secrecy performance. Contrary to the case where null-steering is made possible by using knowledge of the ED locations, we show that the optimal solution when only statistical information about ED locations is available directs the transmission along a particular eigenmode related to the intensity of the ED process and the intended channel. Then, a sub-optimal LED selection scheme is provided to reduce the secrecy outage probability (SOP). An approximate closed-form for the SOP is derived by using secrecy capacity bounds. All analysis is numerically verified by Monte Carlo simulations. The analysis shows that the optimal beamformer yields superior performance to LED selection. However, LED selection is still a highly efficient suboptimal scheme due to the complexity associated with the use of multiple transmitters in the full beamforming approach. These performance trends and exact relations between system parameters can be used to develop a secure VLC system in the presence of randomly distributed EDs.

연구 동기 및 목표

• eavesdropper의 위치가 알려져 있지 않지만 공간적 강도는 알려져 있을 때 VLC 시스템의 물리계층 보안을 향상시키는 것.
• eavesdropper 분포에 대한 통계 정보만 제공될 때, 강도 제약 조건 하에서 비밀성 성능을 최대화하는 빔포밍 전략을 설계하는 것.
• 전체 빔포밍보다 낮은 복잡도를 가지면서도 비밀성 중단 확률(SOP)을 감소시키는 부분 최적의 LED 선택 방식을 제안하는 것.
• LED 선택 방식 하에서 비밀성 용량 경계를 사용하여 SOP에 대한 근사 폐쇄형 표현식을 도출하는 것.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 검증하고 기준 성능 기준과의 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 주어진 채널과 ED 프로세스 강도의 주요 고유모드를 기반으로, 강도 제약 조건 하에서 비밀성 성능 지표(예: SNR, 비밀성 용량 경계)를 최대화함으로써 최적의 빔포머를 유도한다.
• 시스템은 작업 평면상의 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 eavesdropper를 모델링하여, 가장 가까운 ED까지의 최소 거리에 대한 스토케스틱 기하학 기반 분석을 가능하게 한다.
• 경로 손실 모델을 사용하여 거리의 함수로 UE에서의 신호 대 잡음비(SNR)를 모델링하며, 지수 m+3을 포함하고 DC 보정 및 LED 전력을 반영한다.
• 비밀성 중단 확률(SOP)은 비밀성 용량 경계를 사용하여 분석되며, 영역 함수 A(d)를 조각별 선형 함수로 근사화함으로써 폐쇄형 근사식을 도출한다.
• 복잡도를 줄이기 위해 UE에 가장 가까운 송신기를 선택하는 부분 최적의 LED 선택 방식을 제안한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 분석 결과를 수치적으로 검증하고 최적의 빔포밍 및 LED 선택의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 eavesdropper의 위치가 알려져 있지 않지만 공간적 강도는 알려져 있을 때 VLC 시스템에서 물리계층 보안을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 eavesdropper 분포에 대한 통계 정보만 제공될 때, 강도 제약 조건 하에서 비밀성 성능을 최대화하는 최적의 빔포밍 전략은 무엇인가?
• RQ3 비밀성 중단 확률 측면에서 최적의 빔포머 성능은 저복잡도 LED 선택 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 LED 선택 방식 하에서 비밀성 용량 경계를 사용하여 SOP에 대한 폐쇄형 근사식을 도출할 수 있는가?
• RQ5 LED 강도, 사용자 거리, eavesdropper 밀도와 같은 시스템 파라미터는 비밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 목적 채널의 주요 고유모드와 ED 프로세스 강도를 기반으로 유도된 최적의 빔포머는 LED 선택 방식보다 뛰어난 비밀성 성능을 달성한다.
• 제안된 LED 선택 방식은 복잡도를 크게 감소시키면서도 강력한 비밀성 성능을 유지하며, 특히 UE가 한 LED에 가까이 있을 경우 두드러진 성능 향상을 보인다.
• LED 선택 하에서 비밀성 중단 확률(SOP)에 대한 폐쇄형 근사식이 도출되어 효율적인 시스템 설계 및 파rameter 최적화를 가능하게 한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 최적의 빔포밍 방식이 LED 선택 방식보다 비밀성 중단 확률 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인하였으며, UE가 송신기 근처로 갈수록 성능 격차가 줄어든다.
• 이론적 SOP 경계가 시뮬레이션 결과와 밀접하게 일치함을 입증하여 유도된 표현식의 정확성을 검증한다.
• 연구는 최적의 빔포머 성능가 eavesdropper 위치의 불확실성에 대해 강건함을 입증하여, 개방형 실내 환경에서의 실질적 VLC 구현에 적합함을 규명한다.