[논문 리뷰] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO: Active Attacks and Passive Eavesdropping.

Gui Zhou, Cunhua Pan외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 라이케인 fading 채널에서 주로 활성 공격과 수동 도청을 고려하여 물리계층 보안을 향상시키기 위해 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 사용자 협업 방식을 제안한다. 통계적 채널 오차 하에서 빔포밍을 적용하고, 비밀성 비율 최대화를 위한 저복잡도 알고리즘을 활용함으로써 시스템은 향상된 보안 성능을 달성하였으며, 수치 결과는 도청자의 채널 오차가 정상 사용자 채널 오차보다 더 해로운 영향을 미친다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, intelligent reflecting surface (IRS) is proposed to enhance the physical layer security in the Rician fading channel where the angular direction of the eavesdropper is aligned with a legitimate user. In this scenario, we consider a two-phase communication system under the active attacks and passive eavesdropping. Particularly, in the first phase, the base station avoids direct transmission to the attacked user. While, in the second phase, other users cooperate to forward signals to the attacked user with the help of IRS and energy harvesting technology. Under the active attacks, we investigate an outage constrained beamforming design problem under the statistical cascaded channel error model, which is solved by using the Bernstein-type inequality. As for the passive eavesdropping, an average secrecy rate maximization problem is formulated, which is addressed by a low complexity algorithm. Numerical results show that the negative effect of the eavesdropper's channel error is greater than that of the legitimate user.

연구 동기 및 목표

• 공격자가 정상 사용자와 동일한 각도 방향을 가진 라이케인 fading 채널에서 물리계층 보안 문제를 해결하기 위해.
• 특정 사용자를 공격하는 활성 공격의 영향을 완화하기 위해.
• 사용자 협업과 IRS 빔포밍을 활용하여 수동 도청 상황에서 비밀성 성능을 향상시키기 위해.
• 정상 사용자와 도청자 양측의 통계적 다중 채널 오차가 미치는 영향을 모델링하고 분석하기 위해.
• IRS와 사용자 협업을 통해 안정적이고 에너지 효율적인 전송을 보장하는 이단계 통신 프로토콜을 설계하기 위해.

제안 방법

• 이중 단계 전송 프로토콜을 제안함: 1단계에서는 기지국이 공격받는 사용자에게 직접 전송을 피함; 2단계에서는 다른 사용자들이 IRS 지원을 받아 신호를 협업하여 전달함.
• 통계적 다중 채널 오차 모델 하에서 장애율 제약이 있는 빔포밍 설계 문제를 해결하기 위해 버니스타인 유형 부등식을 활용함.
• 수동 도청 상황에서 평균 비밀성 비율을 최대화하기 위한 저복잡도 알고리즘을 적용함.
• 에너지 수확을 위한 IRS로 향상된 MIMO 시스템에 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 통합함.
• 정상 사용자와 도청자 양측의 다중 채널에서의 불확실성을 반영하기 위해 채널 오차를 통계적 분포로 모델링함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 사용자와 방향이 일치하는 도청자가 존재할 경우, 라이케인 fading 채널에서 시스템의 비밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공격받는 사용자의 품질 보증을 확보하면서도 활성 공격의 영향을 효과적으로 완화할 수 있는 빔포밍 전략은 무엇인가?
• RQ3 도청자의 채널 오차가 정상 사용자 채널 오차보다 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 사용자 협업과 함께 IRS 및 에너지 수확을 통합하면 수동 도청 상황에서 비밀성 비율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 채널 불확실성이 존재할 경우, 비밀성 비율 최대화와 장애율 제약 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 도청자 채널의 채널 오차가 정상 사용자 채널 오차보다 더 심각한 부정적 영향을 미친다.
• 버니스타인 유형 부등식을 기반으로 한 제안된 빔포밍 설계가 통계적 채널 불확실성 하에서 장애율을 효과적으로 제어한다.
• 저복잡도 알고리즘이 수동 도청 상황에서 평균 비밀성 비율 향상에 상당한 기여를 한다.
• IRS 지원을 받는 사용자 협업은 공격받는 사용자에게 신뢰할 수 있는 신호 전달을 가능하게 하면서도 보안성을 유지한다.
• SWIPT와 IRS의 통합은 MIMO 시스템의 에너지 효율성과 물리계층 보안을 모두 향상시킨다.