Secure Rate-Splitting and RIS Beamforming with Untrusted Energy Harvesting Receivers

논문 개요

본 논문은 **재구성 가능 지능 표면 (RIS)**이 탑재된 **무인 항공기 (UAV)**를 활용하여, 신뢰할 수 없는 에너지 수확 수신기 (UEHRs) 가 존재하는 환경에서 **보안 정보 - 에너지 수확 (SWIPT)**을 수행하는 다중 사용자 MISO 다운링크 시스템을 연구합니다. 제안된 방식은 보안 속도 분할 다중 접속 (Secure RSMA) 기법을 적용하여, 합법적인 정보 - 에너지 수신기 (IHRs) 에게는 정보를 전달하면서 동시에 잠재적인 도청자 역할을 하는 UEHRs 에게는 충분한 에너지를 공급하되, 정보 유출을 방지하는 것을 목표로 합니다.

1. 문제 정의 (Problem Statement)

• 시스템 환경: 기지국 (BS) 은 다중 안테나를 가지며, UAV 에 탑재된 RIS 를 통해 지상의 합법적인 사용자 (IHRs) 와 비합법적인 에너지 수확자 (UEHRs) 에게 신호를 전송합니다.
• 도전 과제:
  • UEHRs 는 에너지를 수확해야 하지만, 동시에 기지국과 사용자 간의 통신을 도청하려는 잠재적인 도청자 (Eavesdroppers) 로 간주됩니다.
  • 비선형 에너지 수확 (Non-linear EH) 모델과 물리 계층 보안 (Physical-layer Security) 요구사항을 동시에 만족해야 합니다.
  • 최종 목표: 사용자 간 공평성 (Fairness) 을 기반으로 한 **보안 에너지 효율 (Secrecy Energy Efficiency, SEE)**을 극대화하는 것입니다.
• 제약 조건: 전송 전력 제한, UEHRs 의 최소 에너지 수확 요구사항, 그리고 RSMA 의 공통/개인 메시지 분해 조건.

2. 방법론 (Methodology)

논문은 비볼록 (Non-convex) 최적화 문제를 해결하기 위해 교대 최적화 (Alternating Optimization, AO) 프레임워크를 제안합니다.

• RSMA 기반 전송 전략:

  • 각 사용자의 메시지를 **공통 스트림 (Common Stream)**과 **개인 스트림 (Private Stream)**으로 분할합니다.
  • 모든 합법 사용자는 공통 스트림을 성공적으로 복호화할 수 있어야 하지만, UEHRs 는 이를 복호화하지 못하도록 설계합니다.
  • 개인 스트림은 각 사용자에게만 전송되며, 도청자로부터의 보안성을 확보합니다.

• 최적화 변수:

  1. 공통 메시지 할당 비율 ($a_k$): 각 사용자에게 할당되는 공통 메시지의 비율.
  2. 능동 프리코더 (Active Precoders, $P$): 기지국의 빔포닝 벡터.
  3. RIS 위상 천이 (RIS Phase Shifts, $\theta$): UAV 의 RIS 요소별 위상 제어.

• 해결 알고리즘:

  • 블록 좌표 강하법 (BCD): 위 세 변수를 번갈아 가며 최적화합니다.
  • 선형 프로그래밍 (LP): 공통 메시지 할당 비율 ($a_k$) 최적화.
  • 딜켄바흐 변환 (Dinkelbach's Transform) 및 SCA: 비선형 분수 목적 함수 (SEE) 와 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 **순차적 볼록 근사 (Sequential Convex Approximation, SCA)**를 적용합니다.
  • 페널티 기반 방법: RIS 의 단위 모듈러스 (Unit-modulus, $|s_m|=1$) 제약을 처리하기 위해 목적 함수에 페널티 항을 추가하여 선형화합니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 새로운 시스템 모델: UAV-RIS 가 지원되는 RSMA 기반 SWIPT 시스템에서, UEHRs 를 도청자로 간주하고 **최대 - 최소 (Max-Min) 보안 에너지 효율 (SEE)**을 극대화하는 프레임워크를 최초로 제안했습니다.
2. 효율적인 최적화 알고리즘: Dinkelbach 변환과 SCA 를 결합한 AO 알고리즘을 개발하여, 비선형 에너지 수확 제약 하에서 RSMA 프리코딩, 속도 할당, RIS 위상을 공동으로 최적화하는 방법을 제시했습니다.
3. 성능 비교 및 검증: 기존 방식인 SDMA (공간 분할 다중 접속) 및 **NOMA (비직교 다중 접속)**와의 비교를 통해 제안된 RSMA 방식의 우월성을 입증했습니다.

4. 시뮬레이션 결과 (Simulation Results)

• RSMA 의 우월성: 다양한 시스템 설정 (안테나 수, RIS 요소 수, 사용자 수) 에서 제안된 RSMA 방식이 SDMA 와 NOMA 보다 더 높은 SEE를 달성했습니다. 이는 RSMA 가 간섭 관리와 보안성에 있어 더 강력한 견고성 (Robustness) 을 제공하기 때문입니다.
• 안테나 수 ($N_t$) 의 영향: 안테나 수가 증가함에 따라 SEE 가 증가하다가 포화되지만, RSMA 는 다른 방식보다 더 높은 효율을 유지합니다.
• RIS 요소 수 ($M$) 의 영향: RIS 요소 수 증가는 로그 (logarithmic) 형태로 SEE 를 향상시킵니다. 특히, 많은 수의 RIS 요소 ($M=128$) 는 높은 전송 전력 ($P_{max}=20$ dBm) 을 사용하는 경우와 유사한 성능을 낮은 전력 ($P_{max}=10$ dBm) 에서 달성하여 에너지 절감 잠재력을 보여줍니다.
• 확장성: 합법 사용자 수 ($K$) 가 증가하면 도청 확률로 인해 SEE 가 감소하지만, 기지국 안테나 수를 늘리면 이를 상쇄할 수 있습니다. 반면, UEHR 수 ($J$) 가 증가해도 SEE 감소폭은 미미했습니다.

5. 의의 및 결론 (Significance & Conclusion)

본 연구는 6G 및 그 이상의 네트워크에서 UAV 와 RIS 를 활용한 보안 통신의 새로운 패러다임을 제시합니다.

• 에너지와 보안의 조화: 에너지 수확이 필요한 환경에서도 보안성을 해치지 않고, 오히려 RSMA 와 RIS 의 시너지를 통해 에너지 효율을 극대화할 수 있음을 증명했습니다.
• 실용성: UAV 의 고정된 위치 가정을 통해 계산 복잡도를 줄였으며, 제안된 알고리즘은 빠른 수렴 속도를 보여 실제 시스템 적용 가능성을 시사합니다.
• 미래 전망: RSMA 와 RIS 기술의 결합은 제한된 자원 하에서 다중 사용자 간 공평한 보안 통신을 제공하는 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 기대됩니다.