KR20230072118A - 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템 - Google Patents

지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230072118A
KR20230072118A KR1020210158526A KR20210158526A KR20230072118A KR 20230072118 A KR20230072118 A KR 20230072118A KR 1020210158526 A KR1020210158526 A KR 1020210158526A KR 20210158526 A KR20210158526 A KR 20210158526A KR 20230072118 A KR20230072118 A KR 20230072118A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
subset
receiving terminal
passive
eavesdropper
terminal
Prior art date
Application number
KR1020210158526A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102619700B1 (ko
Inventor
정해준
유병하
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Priority to KR1020210158526A priority Critical patent/KR102619700B1/ko
Publication of KR20230072118A publication Critical patent/KR20230072118A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102619700B1 publication Critical patent/KR102619700B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/155—Ground-based stations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04K—SECRET COMMUNICATION; JAMMING OF COMMUNICATION
    • H04K1/00—Secret communication
    • H04K1/006—Secret communication by varying or inverting the phase, at periodic or random intervals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
    • H04L1/0002—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the transmission rate

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템은, 송신 단말; 수신 단말; 및 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 지능형 반사 표면(IRS, Intelligent Reflecting Surface)을 포함한다.

Description

지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템{WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING INTELLIGENT REFLECTING SURFACE}
개시되는 실시예들은 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 보안 기술과 관련된다.
지능형 반사 표면(IRS; Intelligent Reflecting Surface)은 복수 개의 수동 반사 요소(passive reflecting element)를 갖춘 표면으로서, 각각의 요소들이 협력적으로 수동적 빔형성(passive beamforming)을 수행함으로써 높은 에너지 효율을 가지고 순시 신호의 위상을 바꿀 수 있다. 이러한 지능형 반사 표면의 무선통신 환경 재구성 능력을 활용한 연구가 다방면으로 수행되고 있다. 그러나 아직 이를 물리계층의 보안에 적용한 연구는 없는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2192234호 (2020.12.10)
개시되는 실시예들은 지능형 반사 표면을 이용하여 무선 통신 환경에서의 보안성을 향상하기 위한 것이다.
예시적인 실시예에 따르면, 송신 단말; 수신 단말; 및 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 지능형 반사 표면(IRS, Intelligent Reflecting Surface)을 포함하는, 무선 통신 시스템이 제공된다.
상기 지능형 반사 표면은, 송신 단말과 수신 단말 사이의 반사 경로상에 위치하며, 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 복수의 수동 반사 요소; 및 상기 송신 단말과 상기 수신 단말간의 보안 전송률(secrecy rate)을 고려하여, 상기 복수의 수동 반사 요소의 하나 이상의 파라미터를 제어하는 제어 모듈을 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 복수의 수동 반사 요소 중 상기 메시지 송신을 수행할 제1 서브세트, 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 제2 서브세트 및 제3 서브세트의 개수를 결정할 수 있다.
상기 제1 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 결맞음 결합(coherent combine)되고, 상기 제2 서브세트에 의하여 반사되는 신호 및 상기 제3 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 상쇄 결합(destructive combine)될 수 있다.
상기 제2 서브세트 및 상기 제3 서브세트는 각각 동일한 개수의 수동 반사 요소를 포함할 수 있다.
상기 보안 전송률은, 상기 수신자 및 상기 메시지의 도청자 각각의 신호대 잡음비(SNR)에 기반하여 계산될 수 있다.
상기 수신자 및 상기 도청자의 신호대 잡음비는, 상기 지능형 반사 표면의 위상 변이(△), 상기 제1 내지 제3 서브세트의 개수, 및 상기 수신자 및 상기 도청자 각각의 위치에 기반하여 계산될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 송신 단말과 수신 단말 사이의 반사 경로상에 위치하며, 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 복수의 수동 반사 요소; 및 상기 송신 단말과 상기 수신 단말간의 보안 전송률(secrecy rate)을 고려하여, 상기 복수의 수동 반사 요소의 하나 이상의 파라미터를 제어하는 제어 모듈을 포함하는, 지능형 반사 표면이 제공된다.
상기 제어 모듈은, 상기 복수의 수동 반사 요소 중 상기 메시지 송신을 수행할 제1 서브세트, 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 제2 서브세트 및 제3 서브세트의 개수를 결정할 수 있다.
상기 제1 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 결맞음 결합(coherent combine)되고, 상기 제2 서브세트에 의하여 반사되는 신호 및 상기 제3 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 상쇄 결합(destructive combine)될 수 있다.
상기 제2 서브세트 및 상기 제3 서브세트는 각각 동일한 개수의 수동 반사 요소를 포함할 수 있다.
상기 보안 전송률은, 상기 수신자 및 상기 메시지의 도청자 각각의 신호대 잡음비(SNR)에 기반하여 계산될 수 있다.
개시되는 실시예들에 따르면 지능형 반사 표면 기반의 무선 통신에 랜덤 방사를 적용함으로써 기존에 액티브 안테나 어레이를 사용할 경우와 비교하여 무선 통신 환경에서의 물리계층 보안 성능을 높일 수 있다. 또한 개시되는 실시예들에 따르면 주어진 네트워크 구조, 지능형 반사 표면에 포함된 반사 요소의 개수, 위상 변화에 따른 진폭 변화 정도를 고려하여 최적의 보안 전송률을 도출함으로써 보안 성능을 용이하게 최적화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 블록도
도 2는 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 설명하기 위한 블록도
도 3은 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서의 무선 통신 과정을 설명하기 위한 예시도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(100)을 설명하기 위한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(100)은 송신 단말(102), 수신 단말(104) 및 지능형 반사 표면(106)을 포함한다.
송신 단말(102) 및 수신 단말(104)은 각각 메시지를 송신 또는 수신하는 단말이다. 개시되는 실시예들에서, 송신 단말(102) 및 수신 단말(104)는 후술할 지능형 반사 표면(106)을 통하여 메시지를 송수신할 수 있다. 이하의 설명에서 송신 단말(102)과 송신자(Tx), 수신 단말(104)과 수신자(Bob)는 각각 같은 의미로 사용된다.
지능형 반사 표면(IRS, Intelligent Reflecting Surface)(106)은 송신 단말(102)로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 수신 단말(104)로 송신한다.
한편, 무선 통신 시스템(100) 내에는 송신 단말(102) 및 수신 단말(104) 이외에도 도청 단말(108)이 존재할 수 있다. 도청 단말(108)은 이하의 설명에서 도청자(Eve)와 같은 의미로 사용된다. 도청 단말(108)은 송신 단말(102)에서 수신 단말(104)로 전송되는 메시지를 엿들으려는 단말이다.
도 2는 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면(106)의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면(106)은 복수의 수동 반사 요소(202) 및 제어 모듈(204)을 포함한다.
수동 반사 요소(202)는 송신 단말(102)과 수신 단말(104) 사이의 반사 경로상에 위치하며, 송신 단말(102)로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 수신 단말(104)로 송신한다.
제어 모듈(204)은 송신 단말(202)과 수신 단말(204)간의 보안 전송률(secrecy rate)을 고려하여, 지능형 반사 표면의 하나 이상의 파라미터를 제어한다.
일 실시예에서, 제어 모듈(204)은, 상기 복수의 수동 반사 요소 중 상기 메시지 송신을 수행할 제1 서브세트, 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 제2 서브세트 및 제3 서브세트의 개수를 결정할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(100)에서의 무선 통신 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도시된 예시도에서는, 도청자(Eve)가 있는 상태에서 송신자(Tx)가 지능형 반사 표면(IRS)을 통해 원하는 수신자(Bob)에게 기밀 메시지를 보내는 상황을 가정한 것이다. 바닥으로부터 송신자(Tx)와 IRS는 각각 yh' 및 yh 만큼 떨어져 있으며, 송신자(Tx)로부터 수신자(Bob) 및 도청자(Eve)로의 직접 링크(direct link)는 장애물(blockage)에 의해 차단된다고 가정하자. 따라서 IRS는 수신자(Bob)가 반사 링크(reflection link)를 통해 송신자(Tx)로부터 기밀 메시지를 받을 수 있도록 적절한 위치에 배치된다. 이 경우 도청자(Eve) 또한 지능형 반사 표면에 의하여 생성되는 반사 링크를 통해 상기 기밀 메시지를 엿듣게 된다. 송신자(Tx), 수신자(Bob) 및 도청자(Eve)는 각각 단일 안테나를 구비하는 반면, IRS는 송신자(Tx)와 수신자(Bob) 사이의 보안 데이터 전송을 위해 N개의 수동 반사 요소를 포함하도록 구성된다. IRS의 수동 반사 요소는 x-y 평면에 평행한 등간격 직사각형 배열(URA; uniform rectangular array)로 배열된다. IRS에는 각각 x축 및 y축을 따라 Nx개 및 Ny개의 반사 요소들이 배열되며, 각 반사 요소간 간격은 dx 및 dy이다. 즉, N = Nx * Ny이다.
IRS의 반사 계수 벡터(v)는 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
및
Figure pat00003
(i∈{1, ..., N})는 각각 IRS의 i번째 수동 반사 요소에 의한 위상 변화(phase shift) 및 진폭을 나타낸다. IRS에 구비된 컨트롤러(미도시)는 각 반사 요소를 제어하여 입사 신호의 위상 및 진폭을 변화시킬 수 있다. IRS의 i번째 반사 요소의 위상 변화가
Figure pat00004
로 설정될 경우의 반사 진폭
Figure pat00005
는 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00006
여기서
Figure pat00007
(≥0)는 최소 진폭,
Figure pat00008
(≥0)는 각도 이동 상수(예컨대, -π/2와
Figure pat00009
사이의 수평 거리), c(≥0)는 곡선 경사도로서, IRS의 하드웨어적 특성에 따라 결정된다.
도 2에서 IRS의 중심을 3차원 공간에서 원점(O)으로 가정한다. 구면 좌표계를 사용하면, 송신자(Tx)의 위치는 (ρT, φT, θT)로 표기할 수 있다. 여기서 ρT는 원점으로부터의 거리, φT 및 θT는 각각 방위각과 고도각이다. 또한 수신자(Bob)와 도청자(Eve)는 모두 y = -yh인 접지면에 있다고 가정한다. 수신자(Bob)와 도청자(Eve)의 위치는 구면 좌표계에서 각각 PB(ρB, φB, θB) 및 PE(ρE, φE, θE)로 나타낼 수 있다.
송신자(Tx)로부터 IRS로의 채널 벡터를
Figure pat00010
라 하자. 이때 g의 i번째 요소는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00011
Figure pat00012
여기서 ax(φ,θ)는 입사각(Angle of Arrival)과 반사각(Angle of Departure)이 각각 (φ,θ)인 경우의 배열 매니폴드 벡터(array manifold vector)이다. 또한 [x]i는 벡터 x의 i번째 요소를 나타낸다.
수신자(Bob 또는 Eve)의 위치를 (ρ, φ, θ)라 할 때, IRS로부터 수신자로의 채널 벡터를
Figure pat00013
라 하자. 이때 h의 i번째 요소는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00014
v(k)를 수동 빔포밍 벡터(passive beamforming vector)라 하자. IRS의 수동 반사 요소로부터 수신된 신호들이 수신자(Bob)에서 결맞음 결합(coherent combine)되는 일반적인 아날로그 빔포밍이 사용될 경우, IRS의 k번째 전송 시간 간격(transmit time interval, TTI)에서의 수동 빔포밍 벡터 v(k)는 다음의 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00015
Figure pat00016
그 결과, k번째 TTI에서 (ρ, φ, θ)에 위치한 수신자가 수신하는 신호(y)는 다음의 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00017
이때 s(k)는 전송되는 데이터 심볼,
Figure pat00018
는 수신측에서의 추가적인 가우시안 화이트 노이즈(평균 0, 분산 σ2)이다.
이하에서는 실제 위상 종속 진폭 변동 모델을 가정하여 IRS로 구현된 랜덤 방사(randomized radiation, RR) 방식의 보안 전송률(secrecy rate)을 도출하는 과정을 설명한다. 또한 모든 IRS 요소에 동일한 위상 변이를 적용하여 보안 전송률을 더욱 최적화할 수 있음을 설명한다.
종래의 아날로그 빔포밍의 경우, 단순히 수신자(Bob)에서 IRS의 수동 반사 요소들의 파라미터들을 최대화함으로써 수신자(Bob) 측에서의 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 전송 용량을 달성할 수 있다. 그러나 이러한 이득은 사이드로브(sidelobe)를 통해 정보를 빼내려는 도청자(Eve)에게도 동일하게 적용된다. 이를 해결하기 위하여, 개시되는 실시예에서는 물리계층 보안 알고리즘의 일종인 랜덤 방사(RR, Randomized Radiation) 방식을 사용하도록 구성된다. 랜덤 방사는 원래 액티브 안테나 어레이에 적용될 것을 가정한 것이어서, 이를 IRS와 같은 수동 빔포밍에 적용할 경우 IRS의 하드웨어적 한계 때문에 신호의 완전한 반사가 어렵다. 따라서 개시되는 실시예들에서는 IRS에서의 실제 반사를 고려하기 위하여 위상 변화 모델을 사용한다. 이 모델에서는 전술한 바와 같이 IRS의 수동 반사 요소들의 반사 계수의 진폭 응답이 위상에 의존적이다.
IRS에 랜덤 방사를 적용할 경우, IRS의 수동 반사 요소들 각각은 매 TTI마다 랜덤하게 3개의 서브세트(subset)들 중 하나에 속하게 된다. 상기 3개의 서브세트들은 각각 제1 서브세트(IM(k)), 제2 서브세트(EL(k)), 및 제3 서브세트(OL(k))로 지칭될 수 있다. IM(k)에는 M개의 반사 요소가 포함되며, 일반적인 빔포밍을 수행한다. 나머지 두 개의 서브세트는 각각 L = (N-M)/2 개의 반사 요소를 포함하며, 서로 상쇄 결합(destructive combine)하도록 구성된다. 즉, 제2 서브세트 및 제3 서브세트는 각각 동일한 개수(L)의 수동 반사 요소를 포함한다.
이를 고려하여 벡터 v(k)의 i번째 요소는 다음과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00019
제1 서브세트인 IM(k)에 대응되는 수신 신호는 수신자(Bob) 측에서 결맞음 결합(coherent combine)된다. 반대로, 제2 서브세트 및 제3 서브세트인 EL(k)와 OL(k)에 대응되는 수신 신호는 상기 수학식에서 알 수 있는 바와 같이 π 만큼의 위상차를 가지므로 수신자(Bob) 측에서 서로 상쇄 결합된다. 따라서, 수신자(Bob)는 IM 만큼의 일정한 세기를 가지는 신호를 수신하게 된다. 반면, 도청자(Eve)의 위치에서는 랜덤한 변동(random fluctuation)이 발생하게 된다. 전술한 랜덤 방사 방식의 빔포밍에서, 임의의 위치 (ρ, φ, θ)에서의 배열 계수(array factor) F는 다음과 같다.
[수학식 8]
Figure pat00020
Figure pat00021
보안 전송률(secrecy rate, η)은 물리 계층 보안(PLS, Physical Layer Security)의 성능을 평가하기 위해 널리 사용되는 지표 중 하나이다. 보안 전송률은 정보를 안정적으로 전달할 수 있는 최대 데이터 속도로서, 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 9]
η = [log2(1 + γB) log2(1 + γE)]+
이때, γB 및 γE는 각각 수신자(Bob)와 도청자(Eve)에서 수신된 신호대 잡음비(SNR)를 나타내고, [X]+ = max(0; X)이다.
상기 수학식 7의 수동 빔포밍 벡터를 사용한 랜덤 방사(RR)를 수학식 5로 표현되는 기존의 빔포밍과 비교하여 보면, γB는 약간 떨어지지만 그 대가로 γE를 상당 수준 감소시킬 수 있다. 수신자(Bob) 측에서의 에서의 SNR인 γB는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00022
반면, 도청자(Eve) 측에서의 SNR인 γE는 다음과 같이 계산된다.
[수학식 11]
Figure pat00023
활성 안테나 어레이(active antenna array)에 랜덤 방사를 적용할 경우, 비밀률은 위상 변이와 관계없이 일정하다. 반면, IRS에 랜덤 방사를 구현할 경우는 앞서 설명한 바와 같이 진폭이 위상에 종속되기 때문에, 보안 전송률 또한 위상 변이의 영향을 받는다.
모든 반사 요소의 위상 변이가 β로 일정할 경우, 프리코딩 벡터(precoding vector) v(k)의 i번째 요소는 다음과 같이 계산된다.
[수학식 12]
Figure pat00024
이에 따라, 수학식 IRS의 배열 계수(array factor)는 다음과 같이 계산된다.
[수학식 13]
Figure pat00025
Figure pat00026
교체하지 않고 선택한 (M + L) 샘플의 합(ξ)을 수학식 14와 같이 표현할 경우, 수학식 13은 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00027
[수학식 15]
Figure pat00028
ξ의 기대값(expected value)은 다음의 수학식 16과 같이 계산된다.
[수학식 16]
Figure pat00029
Figure pat00030
위상 변이가 β로 일정할 경우의 배열 요소(array factor)의 기대값은 다음의 수학식 17과 같이 계산된다.
[수학식 17]
Figure pat00031
추가적으로 배열 요소의 분산을 계산하기 위하여, 먼저 |ξ|2의 기대값은 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 18]
Figure pat00032
이에 따라 배열 요소의 분산은 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 19]
Figure pat00033
전술한 사항을 기반으로 배열 요소의 통계에 기반한 비밀 전송률을 닫힌 형식(closed form)으로 표현할 수 있다.
이제 이러한 배열 요소 통계를 기반으로 닫힌 형태의 비밀 비율을 도출할 수 있습니다. 수신자(Bob) 측에서 Λα와 Λ
Figure pat00034
는 모두 0이 되고
Figure pat00035
와
Figure pat00036
는 각각 다음과 같다.
[수학식 20]
Figure pat00037
또한
Figure pat00038
는
Figure pat00039
가 된다. 이에 따라, 수학식 10 및 11에서 기술한 수신자(Bob)와 도청자(Eve)에서 수신된 신호대 잡음비(SNR)인 γB 및 γE는 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 21]
Figure pat00040
[수학식 22]
Figure pat00041
즉, 수신자(Bob)와 도청자(Eve)의 신호대 잡음비는 지능형 반사 표면의 위상 변이(β), 상기 제1 내지 제3 서브세트의 개수, 및 상기 수신자 및 상기 도청자 각각의 위치에 기반하여 계산될 수 있다. 이와 같이 계산된 신호대 잡음비를 수학식 9에 적용하면 보안 전송률을 얻을 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 무선 통신 시스템
102: 송신 단말
104: 수신 단말
106: 지능형 반사 표면
108: 도청 단말
202: 수동 반사 요소
204: 제어 모듈

Claims (13)

  1. 송신 단말;
    수신 단말; 및
    상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 지능형 반사 표면(IRS, Intelligent Reflecting Surface)을 포함하는, 무선 통신 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지능형 반사 표면은,
    상기 송신 단말과 상기 수신 단말 사이의 반사 경로상에 위치하며, 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 복수의 수동 반사 요소; 및
    상기 송신 단말과 상기 수신 단말간의 보안 전송률(secrecy rate)을 고려하여, 상기 복수의 수동 반사 요소의 하나 이상의 파라미터를 제어하는 제어 모듈을 포함하는, 무선 통신 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 복수의 수동 반사 요소 중 상기 메시지 송신을 수행할 제1 서브세트, 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 제2 서브세트 및 제3 서브세트의 개수를 결정하는, 무선 통신 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 결맞음 결합(coherent combine)되고,
    상기 제2 서브세트에 의하여 반사되는 신호 및 상기 제3 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 상쇄 결합(destructive combine)되는, 무선 통신 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 서브세트 및 상기 제3 서브세트는 각각 동일한 개수의 수동 반사 요소를 포함하는, 무선 통신 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 보안 전송률은, 상기 수신자 및 상기 메시지의 도청자 각각의 신호대 잡음비(SNR)에 기반하여 계산되는, 무선 통신 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수신자 및 상기 도청자의 신호대 잡음비는,
    상기 지능형 반사 표면의 위상 변이(β), 상기 제1 내지 제3 서브세트의 개수, 및 상기 수신자 및 상기 도청자 각각의 위치에 기반하여 계산되는, 무선 통신 시스템.
  8. 송신 단말과 수신 단말 사이의 반사 경로상에 위치하며, 상기 송신 단말로부터 수신되는 메시지의 위상을 변화시켜 상기 수신 단말로 송신하는 복수의 수동 반사 요소; 및
    상기 송신 단말과 상기 수신 단말간의 보안 전송률(secrecy rate)을 고려하여, 상기 복수의 수동 반사 요소의 하나 이상의 파라미터를 제어하는 제어 모듈을 포함하는, 지능형 반사 표면.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 복수의 수동 반사 요소 중 상기 메시지 송신을 수행할 제1 서브세트, 랜덤 방사(Random Radiation)을 수행할 제2 서브세트 및 제3 서브세트의 개수를 결정하는, 지능형 반사 표면.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 결맞음 결합(coherent combine)되고,
    상기 제2 서브세트에 의하여 반사되는 신호 및 상기 제3 서브세트에 의하여 반사되는 신호는 상기 수신 단말에서 상쇄 결합(destructive combine)되는, 지능형 반사 표면.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 서브세트 및 상기 제3 서브세트는 각각 동일한 개수의 수동 반사 요소를 포함하는, 지능형 반사 표면.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 보안 전송률은, 상기 수신자 및 상기 메시지의 도청자 각각의 신호대 잡음비(SNR)에 기반하여 계산되는, 지능형 반사 표면.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 수신자 및 상기 도청자의 신호대 잡음비는,
    상기 지능형 반사 표면의 위상 변이(△), 상기 제1 내지 제3 서브세트의 개수, 및 상기 수신자 및 상기 도청자 각각의 위치에 기반하여 계산되는, 지능형 반사 표면.
KR1020210158526A 2021-11-17 2021-11-17 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템 KR102619700B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210158526A KR102619700B1 (ko) 2021-11-17 2021-11-17 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210158526A KR102619700B1 (ko) 2021-11-17 2021-11-17 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230072118A true KR20230072118A (ko) 2023-05-24
KR102619700B1 KR102619700B1 (ko) 2023-12-28

Family

ID=86541061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210158526A KR102619700B1 (ko) 2021-11-17 2021-11-17 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102619700B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102192234B1 (ko) 2019-10-28 2020-12-17 성균관대학교 산학협력단 지능형 반사 평면을 포함하는 무선 통신 시스템의 통신 방법 및 이를 위한 장치
KR20210058644A (ko) * 2019-11-13 2021-05-24 한국과학기술원 무선 통신 시스템에서 보안 전송 방법 및 그 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102192234B1 (ko) 2019-10-28 2020-12-17 성균관대학교 산학협력단 지능형 반사 평면을 포함하는 무선 통신 시스템의 통신 방법 및 이를 위한 장치
KR20210058644A (ko) * 2019-11-13 2021-05-24 한국과학기술원 무선 통신 시스템에서 보안 전송 방법 및 그 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Secrecy Rate Maximization for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multi-Antenna Communications," in IEEE Communications Letters* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102619700B1 (ko) 2023-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Petrov et al. Exploiting multipath terahertz communications for physical layer security in beyond 5G networks
Tedeschi et al. Satellite-based communications security: A survey of threats, solutions, and research challenges
CN110518947A (zh) 一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法
Monteiro et al. Maximum secrecy throughput of MIMOME FSO communications with outage constraints
Tang et al. Associating MIMO beamforming with security codes to achieve unconditional communication security
Nusenu et al. Green secure communication range-angle focusing quadrature spatial modulation using frequency modulated diverse retrodirective array for mmWave wireless communications
US20220394463A1 (en) Communication device and method for secure communication
Jung et al. Security energy efficiency analysis of analog collaborative beamforming with stochastic virtual antenna array of UAV swarm
Nusenu et al. Directional modulation with precise legitimate location using time-modulation retrodirective frequency diversity array for secure IoT communications
Mergen et al. Randomized space-time coding for distributed cooperative communication
KR102619700B1 (ko) 지능형 반사 표면을 이용한 무선 통신 시스템
Lanzagorta et al. Assessing feasibility of secure quantum communications involving underwater assets
Usman et al. On the BER performance of RIS-enhanced NOMA-assisted backscatter communication under nakagami-m fading
Cohen et al. Absolute security in terahertz wireless links
Cao et al. Proactive eavesdropping strategies using hybrid reflecting-backscatter intelligent surface
Win et al. Multi-tier network secrecy in the ether
Bagherinejad et al. Direction‐based jamming detection and suppression in mmWave massive MIMO networks
Jung et al. Secrecy rate analysis of open-loop analog collaborative beamforming under position estimation error of virtual antenna array
CN111163464B (zh) 一种抗随机窃听的多业务传输功率分配方法
CN106301492A (zh) 一种基于sm-mimo的数据传输方法及装置
Alsadi et al. Improving the physical layer security of the Internet of Things (IoT)
Shi et al. Physical layer security techniques for data transmission for future wireless networks
Yao et al. A hybrid multi-domain index modulation for covert communication
CN115361118A (zh) 具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法
Malandrino et al. Eavesdropping with intelligent reflective surfaces: Threats and defense strategies

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant