Dual Threats in RIS-Aided RF-UOWC Mixed Networks: Secrecy Performance Analysis under Simultaneous RF and UOWC Eavesdropping

인터넷을 공중과 수중을 통해 흐르는 거대하고 보이지 않는 정보의 강이라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 우리는 이 데이터를 이동시키기 위해 두 가지 주요 방식에 의존해 왔습니다. 하나는 라디오 파동처럼 벽을 통과하고 먼 거리까지 음악과 전화 통화를 전달하는 무선 주파수(RF)이고, 다른 하나는 빛의 줄기를 이용해 바닷속에서 데이터를 초고속으로 전송하는 수중 광무선 통신(UOWC)입니다. 하지만 문제가 있습니다. 라디오 방송이 라디오를 가진 누구에게나 포착될 수 있고, 손전등 불빛이 올바른 방향을 향할 때 보일 수 있는 것처럼, 이러한 신호들은 비밀을 훔치려는 교활한 도청자들에게 취약합니다.

이를 해결하기 위해 과학자들은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이라는 첨단 도구를 실험하고 있습니다. RIS를 수천 개의 작고 프로그래밍 가능한 타일로 만들어진 거대하고 똑똑한 거울이라고 생각해 보십시오. 일반적인 거울처럼 빛을 무작위로 반사하는 대신, 이 스마트 거울은 신호를 정확히 가야 할 곳으로 굴절시키고, 집중시키고, 조종할 수 있도록 제어될 수 있습니다. 즉, 의도된 친구에게는 신호를 더 강하게 만들고, 엿들으려는 사람에게는 신호를 더 약하게 만드는 것입니다. 이 논문은 이 두 세계, 즉 공기와 물의 세계를 결합하는 복잡한 시나리오를 다루며 한 가지 중요한 질문을 던집니다. 만약 스파이가 공중 경로와 수중 경로 양쪽 모두에서 비밀 메시지를 동시에 훔치려 한다면 어떤 일이 벌어질까요?

2024년 8월에 발표된 이 논문의 저자들은 이 '이중 위협' 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 상세한 수학적 모델을 구축했습니다. 그들은 메시지가 소스에서 릴레이까지 무선 파동(스마트 거울의 도움을 받아)을 통해 이동하고, 그 후 릴레이에서 최종 목적지까지 수중 광선(이 또한 스마트 거절의 도움을 받아)을 통해 이동하는 시스템을 구상했습니다. 그들은 세 가지 특정 상황을 테스트했습니다. 라디오 부분만 도청하는 스파이, 수중 빛 부분만 도청하는 스파이, 그리고 메시지를 훔치기 위해 라디오 쪽과 수중 쪽 양쪽에서 동시에 협력하는 두 명의 스파이가 있는 가장 위험한 시나리오입니다.

첨단 수학을 사용하여 연구진은 시스템이 얼마나 안전한지를 계산하기 위한 새로운 공식들을 도출했습니다. 그들은 단순히 추측한 것이 아니라, 자신들의 수학이 현실과 일치하는지 확인하기 위해 수백만 번의 컴퓨터 시뮬레이션(몬테카를로 시뮬레이션)을 실행했습니다. 연구 결과에 따르면, (특히 주 경로에) 스마트 거울의 '타일'을 더 많이 추가할수록 연결이 훨씬 더 안전해지는 반면, 스파이의 거울에 타일을 더 많이 배치하면 비밀을 지키기가 훨씬 더 어려워집니다. 또한 그들은 물의 종류가 중요하다는 사실도 발견했습니다. 빛을 더 많이 산란시키는 염수는 담수보다 수중 링크의 보안성을 더 해칩니다. 흥ًا히도, 그들은 '헤테로다인 검출(heterodyne detection)'이라는 특정 탐지 방식(마치 속삭임을 듣기 위해 초정밀 귀를 사용하는 것과 같은 방식)이 표준 방식보다 보안에 더 효과적이라는 것을 발견했습니다.

하지만 가장 놀라운 결과는 스파이에 관한 것입니다. 이 논문은 적이 라디오와 수중 링크를 동시에 공격할 때 시스템이 가장 취약해진다는 점을 시사합니다. 스마트 거울이 보안을 크게 높일 수 있지만, 수중 환경이 너무 난류가 심하거나(기포나 온도 변화로 인해) 스파이가 매우 선명한 가시선을 확보하고 있다면 보안이 떨어질 수 있다는 것이 연구의 결과입니다. 저자들은 이 이중 위협 설정이 가장 큰 도전 과제이지만, 네트워크의 공중 및 수중 섹션 모두에 스마트 거울을 사용하는 것이 환경과 거울 타일의 수를 신중하게 관리한다면 우리의 미래 6G 통신을 안전하게 지키는 유망한 방법이 될 것이라고 결론지었습니다.