공중‑지상 통합 감시·통신 시스템을 위한 기동형 재밍 기반 보안 통신 및 탐지

초록

본 논문은 A2G‑ISAC 환경에서 이중 기능을 갖는 소스 UAV와 기동형 재밍 UAV가 협업하는 하이브리드 단일·양방향 레이더 구성을 제안한다. 재밍 UAV가 인공 잡음(AN)을 송신해 이베스드로퍼(Eve)를 방해하면서 동시에 목표 탐지 성능을 향상시킨다. 잔여 간섭을 고려한 SINR 모델을 기반으로 평균 비밀률(ASR) 최대화를 위해 두 단계(보안 통신 단계와 SCS 단계)로 나누어 UAV 궤적 및 빔포밍을 공동 최적화한다. 시뮬레이션 결과, 제안 방식이 기존 벤치마크 대비 ASR과 탐지 정확도 모두에서 우수함을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 차세대 6G 무선망에서 핵심 기술로 부각되는 통합 감시·통신(ISAC)과 물리계층 보안(PLS)을 동시에 만족시키는 새로운 시스템 아키텍처를 제시한다. 핵심 아이디어는 두 대의 UAV, 즉 정보 전송을 담당하는 소스 UAV(Alice)와 인공 잡음(AN)을 방출하는 재밍 UAV(Jack)를 하이브리드 단일·양방향 레이더 구성에 배치함으로써, 재밍 UAV가 전파 환경을 동적으로 조절하고 목표 탐지에 기여하도록 하는 것이다. 특히, 재밍 UAV의 기동성을 활용해 공간적 자유도를 확보함으로써, 전통적인 고정형 재밍 혹은 단일 UAV 기반 PLS 방식보다 더 큰 비밀률 향상을 기대한다.

시스템 모델에서는 각 UAV가 M개의 안테나를 갖는 ULA를 사용하고, 지상 사용자(Bob)와 이베스드로퍼(Eve)는 단일 안테나를 가진다. 채널은 LoS 기반 거리 감쇠 모델을 채택해, UAV와 지상 노드 간 거리와 고도 차에 따라 경로 손실이 결정된다. 시간은 N개의 슬롯으로 이산화하고, 각 슬롯 내 UAV 위치는 고정으로 가정해 궤적 최적화 문제를 정형화한다. 궤적 제약식은 초기·최종 위치 고정, 최대 이동 거리(Dmax), 그리고 두 UAV 간 최소 안전거리(dmin)를 포함한다.

보안 통신 단계에서는 Alice가 정보 신호(s_a)만 전송하고, Jack은 AN(w_j s_j)만 송신한다. 이때 수신 측에서는 SIC(연속 간섭 제거)를 수행하지만, 실제 구현에서는 완전한 제거가 어려워 잔여 간섭 파라미터(ρ)로 모델링한다. 이 잔여 간섭은 Bob과 Eve 모두의 SINR에 영향을 미치며, ASR은 Bob의 평균 전송률과 Eve의 평균 전송률 차이로 정의된다. 목표는 전력 예산(P_max^a, P_max^j), 궤적 제약, 그리고 최소 SINR 요구조건을 만족하면서 ASR을 최대화하는 것이다.

문제는 비선형·비볼록 형태이므로, 저자들은 두 단계로 나누어 해결한다. 첫 번째 단계(보안 통신 단계)에서는 블록 좌표 하강(BCD) 프레임워크를 도입하고, 각 블록(궤적, Alice 빔포밍, Jack 빔포밍)을 순차적으로 최적화한다. 궤적 최적화는 신뢰구간 기반 연속 볼록 근사(SCA)를 이용해 2차 형식으로 변환하고, 빔포밍 최적화는 반정밀도 제약을 완화하기 위해 반정밀도 이완(SDR) 기법을 적용한다. 이때, 각 서브문제는 SDP 형태로 풀리며, 수렴성은 신뢰구간 반경을 점진적으로 축소함으로써 보장한다.

두 번째 단계(SCS 단계)에서는 동시에 보안 통신과 목표 탐지를 수행한다. 먼저, SC 단계에서 얻은 최적 궤적을 기반으로 목표 탐지에 적합한 위치를 선정한다. 이를 위해 가중 거리 최소화 문제를 정의하고, 각 목표와 UAV 간 거리 가중치를 목표 탐지 중요도에 따라 부여한다. 저자들은 탐지 효율을 높이기 위해 그리디 알고리즘을 적용해 순차적으로 최적 위치를 선택한다. 위치가 고정되면, Alice의 정보·탐지 복합 빔포밍(w_a, R_r)과 Jack의 AN 빔포밍(w_j)을 공동 최적화한다. 이때도 SDR과 SCA를 결합해 비볼록 제약을 완화하고, 잔여 간섭 파라미터를 포함한 SINR 식을 정확히 반영한다.

시뮬레이션에서는 다양한 UAV 속도, 전력 예산, 그리고 SIC 잔여 간섭 수준을 변동시켜 제안 방식의 견고함을 검증한다. 결과는 (1) 제안 스킴이 기존 고정 재밍 혹은 단일 UAV 기반 스킴 대비 평균 비밀률(ASR)에서 2030% 향상, (2) 목표 탐지 확률이 510% 상승, (3) SIC 잔여 간섭이 증가할수록 성능 저하가 발생하지만, 제안 최적화가 이를 완화한다는 점을 보여준다.

핵심 기여는 (i) 기동형 재밍 UAV를 활용한 하이브리드 단일·양방향 레이더 모델 제안, (ii) 잔여 간섭을 명시적으로 모델링한 ASR 최적화 프레임워크, (iii) 두 단계 설계와 BCD‑SCA‑SDR 결합 알고리즘을 통한 실용적인 해법 제공이다. 한계점으로는 고정 고도 가정, 완전한 LoS 채널 모델, 그리고 실시간 연산 복잡도가 높아 현장 적용 시 추가 경량화가 필요하다는 점을 들 수 있다.