하이브리드 UAV‑RIS·STAR‑RIS·H‑RIS 기반 보안 통신의 확률적 최적화

초록

본 논문은 UAV에 탑재된 반사 RIS, 실외 STAR‑RIS, 실내 H‑RIS를 결합한 하이브리드 환경에서, 사용자 이동·동적 차단·공동 공격자·하드웨어 불완전성을 고려한 확률적(Chance‑Constrained) 비밀성 최적화를 제안한다. 3GPP·ITU 표준 채널 모델을 기반으로 통계적 CSI 불확실성을 도입하고, 베르누이형 Bernstein 근사를 통해 모든 확률 제약을 결정론적으로 변환한다. 이후 교대 최적화와 연속 볼록 근사(SCA)를 이용해 BS 빔포밍, 각 RIS의 위상·진폭, UAV 위치를 효율적으로 설계한다. 시뮬레이션 결과, 제안 방식이 기존 UAV‑전용, RIS‑전용, STAR‑RIS‑전용 대비 비밀성 아웃률을 크게 감소시키며, 채널 불확실성·차단·공동 공격·하드웨어 손상에 강인함을 보인다.

상세 분석

이 연구는 차세대 무선망에서 보안성을 확보하기 위한 복합적인 물리계층 설계 문제를 다룬다. 먼저, UAV에 장착된 반사 RIS, 건물 외벽에 설치된 STAR‑RIS, 실내 벽에 배치된 H‑RIS라는 세 종류의 재구성 가능한 표면을 동시에 활용함으로써, 실외‑실내 이중 영역에서 라인‑오브‑사이트(LoS)와 비 LoS 경로를 모두 강화한다. 특히 STAR‑RIS는 전·반사 동시 동작을, H‑RIS는 연속적인 전자기 파면 제어를 제공해 실내 고밀도 사용자에 대한 미세 빔포밍을 가능하게 한다.

채널 모델링 측면에서, 3GPP TR 38.901·TR 36.873 및 ITU‑R P.2109 표준을 그대로 적용해 거리‑경로 손실, 그림자 페이딩, 실외‑실내 침투 손실, 동적 차단(Markov 프로세스) 등을 포함한다. 사용자와 적은 PPP(포아송 점 과정)로 배치하고, UAV는 3차원 속도 제한을 갖는 동적 궤적을 따른다. 하드웨어 불완전성은 송신기·수신기 EVM 기반 왜곡 잡음으로 모델링해, 실제 시스템에서 발생하는 비선형·위상 잡음을 정량화한다.

핵심 최적화 목표는 “전체 비밀성 아웃률(Secrecy‑Outage Probability)”을 최소화하면서, 비밀 전송률과 QoS(전송률) 확률 제약, 전력 제한, 각 RIS의 물리적 위상·진폭 제약을 만족시키는 것이다. 확률 제약은 채널 추정 오차가 2차 통계(공분산)만 알려진 상황에서 정의되며, 이는 전통적인 확률적 최적화보다 더 보수적인 분포 강인성(distributionally robust) 요구를 만든다.

이러한 복합 제약을 직접 해결하기는 비현실적이므로, 저자들은 Bernstein‑type 불확실성 경계(Bernstein‑type deterministic approximations)를 도입한다. 이 방법은 제2모멘트(평균·공분산)만을 이용해 확률 제약을 상한하는 결정론적 부등식으로 변환한다. 결과적으로 비밀성 및 QoS 확률 제약이 각각 선형·이차 형태의 부등식으로 바뀌어, 전체 문제는 비볼록하지만 결정론적 형태를 갖는다.

문제 해결을 위해 교대 최적화(Alternating Optimization)와 연속 볼록 근사(SCA)를 결합한다. 구체적으로는 (1) BS 빔포밍 벡터 w_k, (2) UAV‑RIS 위상 행렬 Θ_U, (3) STAR‑RIS 전·반사 행렬 (Θ_T, Θ_R), (4) H‑RIS 위상·진폭 행렬 Θ_H, (5) UAV 3D 위치 p_U 를 순차적으로 최적화한다. 각 서브문제는 SCA를 통해 1차 Taylor 전개와 근사 목적함수·제약을 적용해 볼록화하고, 표준 convex solver(CVX 등)로 해결한다. 알고리즘은 매 반복마다 비밀성 아웃률의 부드러운 대리 함수(smooth surrogate)를 감소시키며, 수렴 시점에 KKT 조건을 만족하는 정류점(stationary point)에 도달한다는 수학적 증명을 제공한다.

시뮬레이션은 3GPP TR 38.901·TR 36.873·ITU‑R P.2109 기반 파라미터를 사용해, 다양한 전송 전력, 비밀성 요구율, 차단 확률, 적의 협동 정도, 하드웨어 EVM 수준을 변동시킨다. 결과는 제안된 하이브리드 구조가 단일 RIS(반사 RIS만) 혹은 UAV‑RIS만, 혹은 STAR‑RIS만 사용할 때보다 비밀성 아웃률을 30% 이상 감소시키며, 특히 채널 불확실성·동적 차단·공동 적 공격에 대한 강인성을 크게 향상시킨다. 또한, 베르누이 근사에 기반한 강인 설계가 실제 채널 분포가 근사와 다를 경우에도 제약 위반을 최소화한다는 점을 확인한다.

전반적으로, 이 논문은 복합 RIS·UAV 시스템에서 확률적 보안 최적화를 위한 이론적 프레임워크와 실용적인 알고리즘을 동시에 제시함으로써, 차세대 6G/초고주파수 네트워크에서 물리계층 보안 설계의 새로운 방향을 제시한다.