6G 위성통신을 위한 자원할당 및 보안성능 평가 : 생성의미통신 기반 자원 최적화와 위성 물리 계층 보안 평가 = Resource Allocation and Security Performance Evaluation for 6G Satellite Communications : Generative Semantic Communication based Resource Optimization and Evaluation of Satellite Physical Layer Security

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the sixth generation (6G) communication era, the seamless integration of terrestrial and non-terrestrial networks (NTNs) is envisioned as a cornerstone for achieving reliable, and ubiquitous connectivity with the aid of artificial intelligence (AI). Among various NTN components, satellite communications play a crucial role in extending network coverage to remote and disaster affected regions where terrestrial infrastructure is unavailable. At the same time, satellite systems operate under strict spectrum and power limitations, making efficient resource utilization a critical requirement for 6G NTN operation. In this regard, integrating AI with communications is expected to further enhance efficiency particularly through adaptive resource management. Another major focus of 6G is security, as satellite links are inherently vulnerable to eavesdropping and signal interception owing to their wide coverage and predictable transmission characteristics. To address these issues, this thesis explores two research directions.

In the first part of this thesis, a generative semantic communication enabled framework is proposed. Users are classified as generative users who locally reconstruct data using generative artificial intelligence from semantic prompts, and offloading users who receive complete data directly. For terrestrial networks, a total energy minimization problem is formulated and simulation results show that the proposed framework significantly reduces total energy consumption compared to the conventional system. The framework is further extended to satellite systems where a multi objective optimization problem for dynamic resource allocation (RA) algorithm jointly optimizes power, bandwidth, and data fidelity. Simulation results demonstrate that semantic compression substantially lowers transmission load and enhances goodput compared with conventional RA methods particularly under moderate to heavy traffic conditions.

In the second part of this thesis, a comprehensive analysis of physical layer security (PLS) schemes is conducted for various multi-input multi-output configurations deriving secrecy rate formulations for both artificial noise (AN) and phase distortion (PD) based methods. In addition, a decision region model is proposed to analyze the corresponding bit error rate performance. Finally, cooperative PLS frameworks for low Earth orbit satellite systems are investigated under line of sight dominant and correlated channel conditions, confirming that the limited channel randomness inherently degrades secrecy performance compared with terrestrial fading environments.

국문 초록 (Abstract)

6G 시대에는 지상망과 비지상망(Non-terrestrial networks, NTN)의 유기적 통합을 통해 전 세계 어디에서나 신뢰성 있으며 보편적인 연결성을 실현하는 것이 핵심 목표로 제시되고 있다. 다양한 NTN 구성요소 중에서도 위성 통신은 지상 인프라가 부족한 오지나 재해 지역에서 네트워크 커버리지를 확장하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 그러나 위성 시스템은 매우 제한된 주파수와 전력 자원을 기반으로 운영되기 때문에 6G NTN 환경에서는 자원을 효율적으로 사용하는 것이 필수적이며, 따라서 인공지능 기반 적응형 자원 관리 기술이 위성 통신의 효율성을 향상시키는 핵심 요소로 주목받고 있다. 또한 6G의 또 다른 주요 화두는 보안성으로, 위성 링크는 넓은 커버리지와 가시선이 우세한 전송 특성으로 인해 도청 및 신호 가로채기에 취약하다는 문제가 있다. 이러한 과제들을 해결하기 위해 본 논문은 두 가지 연구 방향을 제시한다.

논문의 첫 번째 연구에서는 생성의미통신 기반 프레임워크를 제안하였다. 제안된 프레임워크는 사용자를 시맨틱 프롬프트로부터 생성형 인공지능을 이용해 데이터를 복원하는 생성 사용자(Generative user, GU)와 전체 데이터를 직접 수신하는 오프로딩 사용자(Offloading user, OU)로 분류한다. 지상망 시나리오에서는 총 에너지 소비를 최소화하는 최적화 문제를 제시하였으며, 시뮬레이션 결과 기존 시스템 대비 총 에너지 소비가 크게 감소함을 보였다. 또한, 위성망에서는 전력, 대역폭, 데이터 신뢰성을 동시에 고려하는 동적 자원할당(Resource allocation, RA) 문제를 다목적 최적화 문제로 확장하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 방법은 시맨틱 압축을 통해 전송 부하를 효과적으로 줄이고, 특히 중강도 및 고강도 트래픽 부하 환경에서 기존 자원할당 방식 대비 실제로 사용자에게 의미있는 유효한 데이터의 크기 및 스펙트럼 효율을 크게 향상시킴을 보였다.

두 번째 연구에서는 다양한 다중안테나 환경에서 물리계층 보안(Physical layer security, PLS) 기법을 분석하고, 인공 잡음(Artificial noise, AN) 및 위상 왜곡(Phase distortion, PD) 기반 방식에 대한 보안율(Secrecy rate, SR) 수식을 유도하였다. 또한, PD 특성에 기반한 결정 영역 모델을 제안하여 이에 따른 비트 오류율 성능을 해석적으로 분석하였다. 마지막으로, 저궤도 위성 환경에서 가시선 우세 및 채널 상관성이 존재하는 조건에서 협력형 PLS 프레임워크를 분석한 결과, 위성 전파 환경의 제한된 채널 랜덤성으로 인해 지상 다중경로 페이딩 채널에 비해 보안 성능이 필연적으로 저하됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Requirements for 6G Satellite Networks 1
• 1.2. Motivations and Thesis Outline 2
• 2. Efficient Resource Allocation in Satellite Communications with the GSC Framework 7
• 2.1. Related Works and Motivations 7
• 2.1.1. Related Works 7
• 2.1.2. Motivation and Contents 9
• 2.2. Generative Semantic Communications with Text-to-Image Generators 10
• 2.2.1. Concept and Framework 10
• 2.2.2. Energy Efficient Downlink GSC 13
• 2.2.2.1. Image Generation and Transmission Model 13
• 2.2.2.2. Communication Model 14
• 2.2.2.3. Energy Model 15
• 2.2.3. Total Energy Minimization with Channel Inversion Power Control 16
• 2.2.4. Simulation Results 18
• 2.3. Proposed Resource Allocation for GSC-enabled Satellite Networks 27
• 2.3.1. Basic Concept 27
• 2.3.2. Deployable Scenarios 28
• 2.3.3. Resource Allocation Strategy 31
• 2.3.3.1. Formulation of Multi Objective Optimization Problem . 31
• 2.3.3.2. Two Stage Optimization with Reduced Complexity 32
• 2.3.3.3. Searching Space for Optimal GU Ratio Vector 38
• 2.3.4. Simulation Results 40
• 3. Secrecy Performance Evaluation of PLS in Satellite Communications 50
• 3.1. Related Works and Motivations 50
• 3.1.1. Related Works 50
• 3.1.2. Motivations and Contents 51
• 3.2. AN aided PLS for MIMO with STBC 53
• 3.2.1. Principle of the AN aided PLS Methods 53
• 3.2.1.1. AN aided Alamouti Scheme 55
• 3.2.1.2. LD-QO-STBC-based AN Scheme 55
• 3.2.2. Secrecy Rate of AN aided PLS . 57
• 3.2.2.1. Derivation of the SR Expression 57
• 3.2.2.2. Reduced Complexity Approximation 60
• 3.2.3. Simulation Results 64
• 3.3. PD aided PLS for MIMO with SM 73
• 3.3.1. Principle of the PD aided PLS Method 73
• 3.3.2. Secrecy Rate for PD aided PLS 75
• 3.3.3. BER for PD aided PLS with Informed Eve 79
• 3.3.4. Simulation Results 84
• 3.4. PLS Application to Satellite Communications 90
• 3.4.1. Examples of Cooperative and Secure Diversity Scheme for LEO Systems 91
• 3.4.1.1. Cooperative AN aided PLS Scheme 91
• 3.4.1.2. Cooperative PD aided PLS Scheme 92
• 3.4.2. Simulation Results 94
• 4. Conclusions and Discussions 99
• 4.1. Summary of Research Contributions 99
• 4.2. Limitations and Challenges 100
• List of Achievements 115
• Abstract (In Korean) 117