[논문 리뷰] User Cooperation for IRS-aided Secure SWIPT MIMO Systems

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

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 활성 공격과 수동 탈취 양측 모두에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 이중 단계 IRS 보조 안정 SWIPT MIMO 시스템을 제안한다. 통계적 CSI 오차 모델 하에서 강건한 비음향 기반 설계와 비밀성 수율 최적화를 위한 저복잡도 알고리즘을 활용함으로써, 특히 탈취자 채널에 대한 높은 불확실성 조건에서도 뚜렷한 보안 성능 향상을 달성한다.

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

• 정규 사용자와 동일한 각도 방향으로 정렬된 탈취자 존재 조건에서 IRS 보조 MIMO 시스템의 물리계층 보안 도전 과제 해결.
• 탈취자가 사용자를 위장하는 활성 공격과 CSI가 알려지지 않은 수동 탈취를 통합적으로 다루는 이중 단계 전송 프레임워크 설계.
• 출구 장애 제약 조건을 만족시키기 위해 통계적 복합 채널 오차 모델 하에서 강건한 비음향 기반 설계 개발.
• 수동 탈취 조건 하에서 평균 비밀성 수율을 최대화하기 위해 주요화-최소화(MM) 기반 저복잡도 알고리즘 설계.
• 불완전한 CSI가 탈취자 및 정상 사용자 채널에 미치는 영향 평가. 탈취자 채널의 불확실성이 더 큰 부정적 영향을 미친다.

제안 방법

• 이중 단계 통신 프로토콜 제안: 1단계는 공격을 받는 사용자에게 직접 전송을 피함; 2단계는 IRS 보조 신호 전달을 통한 사용자 협업 구현.
• 탈취자와 정상 사용자의 각도 방향이 일치하는 Rician fading 환경에서 시스템 모델링.
• 활성 공격 상황에서는 통계적 복합 채널 오차 하에서 출구 장애 제약 조건을 만족하는 비음향 기반 문제 제안. 이는 Bernstein 유형 부등식 근사 기법으로 해결.
• 수동 탈취 상황에서는 주요화-최소화(MM) 프레임워크를 활용한 평균 비밀성 수율 최대화 문제 제안.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 서브문제 구축 및 가격 메커니즘 기반 저복잡도 알고리즘 개발.
• 주요화 기법과 볼록 이완 기법을 활용해 비볼록 제약 조건을 다룰 수 있는 형태로 변환. 이로 인해 이중 변수에 대한 이분법 검색을 통해 닫힌 형태의 해 도출 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국에서의 불완전한 CSI는 IRS 보조 안정 MIMO 시스템에서 활성 공격 조건 하에서 비밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정상 사용자 채널 불확실성과 비교해 탈취자 채널 불확실성이 시스템 비밀성 수율에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 탈취자가 정상 사용자와 동일한 방향으로 정렬되어 있을 경우, 사용자 협업과 함께 IRS 및 에너지 수확 기술을 통합하면 안정된 통신 성능 향상이 가능한가?
• RQ4 통계적 CSI 오차 모델 하에서 출구 장애 제약 조건을 만족시키기 위해 강건한 비음향 기반 설계는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 수동 탈취 조건 하에서 평균 비밀성 수율을 최대화하는 데 있어 제안된 저복잡도 알고리즘의 성능 향상은 어떠한가?

주요 결과

• 탈취자 채널 오차가 정상 사용자 채널 오차보다 더 큰 부정적 영향을 미치며, 이는 탈취자 불확실성에 대비한 강건한 설계의 필요성을 강조한다.
• 통계적 CSI 오차 모델 하에서 제안된 강건한 비음향 기반 설계는 Bernstein 유형 부등식 근사 기법을 통해 출구 장애 제약 조건을 만족시키는 비밀성 수율을 보장한다.
• 주요화-최소화(MM) 기반 및 가격 메커니즘을 통한 저복잡도 알고리즘은 평균 비밀성 수율 최대화 문제에서 높은 성능를 달성하며 수렴성을 확보한다.
• 수치 결과는 고도의 탈취자 각도 정렬 및 채널 불확실성 조건 하에서도 시스템이 높은 비밀성 수율을 유지함을 확인한다.
• 제안된 방식은 사용자 협업이 없는 전통적인 IRS 보조 시스템보다 뛰어난 성능를 보이며, 특히 큰 IRS 어플라이언스와 높은 탈취자 채널 불확실성 조건에서 두드러진다.
• 반사 요소 수가 증가할수록 성능 향상이 더욱 두드러지며, 이는 대규모 IRS 구현에 대한 제안된 방법의 확장성과 타당성을 입증한다.