모든 사용자를 위한 보안: 유한 블록 길이 IRS 지원 시스템에서의 완벽 및 불완전 CSI

본 연구는 유한 블록 길이 제약 하에서 지능형 반사 표면(IRS)을 활용하여 초저지연 고신뢰 통신(URLLC) 및 대규모 사물 통신(mMTC) 환경에서 모든 사용자의 보안을 보장하는 최초의 시도입니다. 연구진은 최소 보안 속도(SR)를 극대화하기 위해 송신기 빔포밍과 IRS의 수동 반사 요소(PRE)를 공동 최적화하는 비볼록 문제를 해결하였으며, 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서는 성공적인 볼록 근사(SCA) 기법을 통해 문제를 해결했습니다.

초저지연 고신뢰 통신(URLLC)과 대규모 사물 통신(mMTC) 시대가 도래하면서, 모든 사용자의 보안을 보장하는 것은 가장 중요하면서도 어려운 과제로 떠올랐습니다. 사용자의 채널 상태, 위치, 그리고 공격자의 위치까지 불확실한 상황에서 모든 사용자의 정보를 안전하게 보호하는 것은 매우 어렵습니다. 특히, URLLC와 mMTC의 핵심 특징인 유한 블록 길이 제약 하에서는 더욱 복잡해집니다.

Monir Abughalwa를 비롯한 연구진은 이러한 어려움을 극복하기 위해 지능형 반사 표면(IRS) 을 활용한 새로운 접근 방식을 제시했습니다. IRS는 무선 신호의 반사를 제어하여 합법적인 사용자의 수신 신호를 강화하고, 동시에 잠재적인 도청자(Eve)로부터 정보를 보호하는 역할을 합니다. 본 연구는 유한 블록 길이 제약 하에서 IRS를 활용하여 모든 URLLC/mMTC 사용자의 보안을 보장하는 최초의 시도입니다.

연구진은 모든 사용자 간 최소 보안 속도(SR)를 극대화하기 위해 송신기의 빔포밍과 IRS의 수동 반사 요소(PRE)를 공동으로 최적화하는 문제를 설정했습니다. 하지만 이 문제는 비볼록적이고 매우 복잡하며, 완벽한 채널 상태 정보(CSI) 가 없는 불완전한 환경에서는 더욱 어려워집니다.

이를 해결하기 위해, 연구진은 먼저 목적 함수를 선형화하고 문제를 순차적인 하위 문제로 분해했습니다. 그리고 불완전한 CSI 상황에서는 성공적인 볼록 근사(SCA) 기법을 이용하여 불완전한 CSI 관련 반무한 제약 조건을 유한 선형 행렬 부등식(LMI)으로 변환하는 데 성공했습니다. 이를 통해 실제 환경에서도 효과적으로 모든 사용자의 보안을 보장할 수 있는 가능성을 열었습니다.

이 연구는 URLLC 및 mMTC 시스템의 보안을 한 단계 끌어올리는 획기적인 성과이며, 향후 5G 및 6G 네트워크의 보안 강화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 하지만, 실제 구현 및 적용에는 더 많은 연구가 필요하며, 특히 다양한 실제 환경에서의 성능 평가가 중요한 과제로 남아있습니다.