Robust Wireless Systems via Mitigation of Uncertainties in Complex Channel Environments = 복잡한 채널 환경에서의 불확실성 완화를 통한 강인한 무선 시스템

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wireless systems fundamentally rely on the characteristics of the physical propagation channel to ensure reliability, security, and sensing accuracy. However, a critical disparity exists between idealized theoretical models and the complex behaviors of real-world channels. Practical environments introduce severe physical uncertainties, such as deep fading holes caused by indoor multipath interference, channel volatility driven by the high mobility of Low Earth Orbit (LEO) satellites, and off-grid leakage in advanced waveform modulation. This dissertation bridges the gap between theoretical design and physical reality by proposing a multimodal analysis framework to mitigate these uncertainties and ensure robust system performance.

First, we address the ``deep fading hole'' problem in indoor wireless sensing, where destructive multipath interference creates localized blind spots that compromise security. Unlike conventional fingerprinting methods that fail under abrupt signal attenuation, we propose SHARD, a Wi-Fi CSI-based secure region detection mechanism. SHARD introduces a hole elimination technique and a phase-distance metric to recover information from unreliable channel segments. Experimental results demonstrate a near-perfect true negative rate of 99.96\%, proving its robustness even in rigorous indoor multipath environments.

Second, we investigate physical layer security in Non-Terrestrial Networks (NTN), focusing on the challenges imposed by the high mobility of LEO satellite downlinks. The rapid channel fluctuations and open nature of satellite links create significant security vulnerabilities. We analyze an OTFS-based system assisted by a terrestrial relay and a cooperative jammer, designing a secrecy-aware jamming strategy that utilizes null-space beamforming. This approach suppresses interference at legitimate nodes without requiring the eavesdropper's Channel State Information (CSI). We derive closed-form expressions for the Secrecy Outage Probability (SOP) under composite Shadowed-Rician and Nakagami fading, verifying that the proposed strategy significantly enhances secrecy performance.

Third, we tackle the ``off-grid leakage'' problem in Advanced Waveforms, with a specific focus on Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation. In realistic time-varying channels, fractional delay-Doppler shifts cause severe energy dispersion. While multiple pilot structures are essential to mitigate the high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) of single-pilot schemes, they induce catastrophic ambiguity when standard patterns are used. We propose a pilot geometry optimization framework that minimizes the mutual coherence of the sensing matrix via a stochastic greedy search initialized with Costas arrays. Integrated with a guard-protected Orthogonal Matching Pursuit (OMP) estimator, this approach effectively eliminates structural interference and achieves robust channel estimation.

In conclusion, this dissertation demonstrates that mitigating physical channel uncertainties through rigorous modeling---ranging from geometric hole avoidance and secrecy analysis to optimized pilot structural design---is essential for next-generation wireless systems. The proposed mechanisms provide resilient and practical solutions for ensuring secure and reliable connectivity in the 6G and IoT eras.

국문 초록 (Abstract)

무선 통신 시스템의 신뢰성, 보안성 및 감지 정확도는 물리적 전파 채널의 특성에 근본적으로 의존한다. 그러나 이상적인 이론적 모델과 실제 환경의 복잡한 채널 거동 사이에는 중대한 괴리가 존재한다. 실제 환경은 실내 다중경로 간섭으로 인한 깊은 페이딩 홀(deep fading holes), 저궤도(LEO) 위성의 높은 이동성에 기인한 채널 변동성, 그리고 차세대 파형 변조에서의 오프 그리드(off-grid) 누설과 같은 심각한 물리적 불확실성을 야기한다. 본 학위논문은 이러한 불확실성을 완화하고 견고한 시스템 성능을 보장하기 위해 다각적인 분석 프레임워크를 제안함으로써, 이론적 설계와 물리적 현실 사이의 간극을 좁히고자 한다.

첫째, 우리는 파괴적인 다중경로 간섭이 보안을 위협하는 국소적 음영 구역을 생성하는 실내 무선 센싱의 ``딥 페이딩 홀'' 문제를 다룬다. 급격한 신호 감쇠 상황에서 실패하는 기존의 핑거프린팅 방식과 달리, 우리는 Wi-Fi CSI 기반의 보안 영역 탐지 메커니즘인 SHARD를 제안한다. SHARD는 홀 제거(hole elimination) 기법과 위상 거리(phase-distance) 지표를 도입하여 신뢰할 수 없는 채널 구간에서 정보를 복원한다. 실험 결과, 99.96\%의 거의 완벽한 True Negative Rate를 달성하여 가혹한 실내 다중경로 환경에서도 우수한 견고성을 입증하였다.

둘째, 우리는 저궤도 위성 다운링크의 높은 이동성으로 인한 문제를 중심으로 비지상 네트워크(NTN)의 물리 계층 보안을 연구한다. 위성 링크의 급격한 채널 변동과 개방적 특성은 심각한 보안 취약점을 초래한다. 이를 해결하기 위해 지상 릴레이와 협력 재머가 지원하는 OTFS 기반 시스템을 분석하고, 영공간 빔포밍(null-space beamforming)을 활용한 보안 인지형 재밍 전략을 설계한다. 이 접근 방식은 도청자의 채널 상태 정보(CSI) 없이도 합법적 노드에 대한 간섭을 억제한다. 또한 복합 Shadowed-Rician 및 Nakagami 페이딩 환경에서 보안 불능 확률(Secrecy Outage Probability, SOP)에 대한 폐쇄형 수식을 유도하여, 제안된 전략이 보안 성능을 크게 향상시킴을 검증하였다.

셋째, 우리는 OTFS(Orthogonal Time Frequency Space) 변조를 중심으로 차세대 파형(Advanced Waveforms)에서의 ``오프 그리드 누설'' 문제를 해결한다. 실제 시변 채널 환경에서는 소수점 단위의 지연-도플러(delay-Doppler) 천이가 심각한 에너지 분산을 유발한다. 단일 파일럿 방식의 높은 PAPR 문제를 완화하기 위해 다중 파일럿 구조가 필수적이나, 표준 패턴 사용 시 이는 치명적인 모호성(ambiguity)을 초래한다. 이에 우리는 Costas 배열로 초기화된 확률적 그리디 탐색을 통해 센싱 행렬의 상호 간섭성(mutual coherence)을 최소화하는 파일럿 기하 구조 최적화 프레임워크를 제안한다. 이를 보호 구간(guard region)이 적용된 OMP 추정기와 결합함으로써 구조적 간섭을 효과적으로 제거하고 견고한 채널 추정 성능을 달성하였다.

결론적으로, 본 학위논문은 기하학적 홀 회피 및 보안 분석에서부터 최적화된 파일럿 구조 설계에 이르기까지, 정밀한 모델링을 통해 물리적 채널 불확실성을 완화하는 것이 차세대 무선 시스템에 필수적임을 입증한다. 제안된 메커니즘들은 6G 및 IoT 시대에 안전하고 신뢰할 수 있는 연결성을 보장하기 위한 견고하고 실용적인 솔루션을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Main Contribution 2
• 1.2.1 Deep-Fading Hole Avoidance for Secure Region Detection using Channel State Information 2
• 1.2.2 Secrecy Outage Probability of OTFS-Based LEO Satellite Downlink Communication with Terrestrial Relaying and Cooperative Jamming 3
• 1.2.3 Robust Channel Estimation for Advanced Waveforms: A Pilot Geometry Optimization Approach under Off-Grid Leakage 4
• 1.3 Organization of the Dissertation 6
• Chapter 2. Deep-Fading Hole Avoidance for Secure Region Detection using Channel State Information 7
• 2.1 Introduction 7
• 2.2 Related Work and Motivation 9
• 2.2.1 Related Work 10
• 2.2.2 Problem and Motivation 11
• 2.3 Design of SHARD 14
• 2.3.1 Baseline Fingerprinting-based SRD 14
• 2.3.2 Hole Elimination 15
• 2.3.3 Phase-distance Estimation 18
• 2.3.4 1-2-4 Matching 20
• 2.3.5 Putting it all together – SHARD 21
• 2.3.6 Threshold Selection 22
• 2.4 Evaluation 24
• 2.4.1 Experiment Setup 24
• 2.4.2 SHARD Performance with Single AP 26
• 2.4.3 Impact of the number of APs 27
• 2.4.4 Impact of RP Interval 29
• 2.4.5 Boundary Result 30
• 2.4.6 Effect of Hole Avoidance 31
• 2.5 Conclusion 32
• Chapter 3. Secrecy Outage Probability of OTFS-Based LEO Satellite Downlink Communication with Terrestrial Relaying and Cooperative Jamming 34
• 3.1 Introduction 34
• 3.2 Related Work and Motivation 37
• 3.3 System Model 39
• 3.3.1 Scenario 39
• 3.3.2 Channel Model 40
• 3.3.3 Signaling 41
• 3.3.4 Secrecy-Aware Jamming Strategy with Interference Nulling 46
• 3.4 SOP Analysis 47
• 3.4.1 SOP Definition 47
• 3.4.2 Distribution of SNRr 49
• 3.4.3 Distribution of SNRu 50
• 3.4.4 Distribution of SINRe 50
• 3.4.5 Overall SOP Derivation 51
• 3.4.6 Secrecy-Oriented Jamming Strategy with Weight Selection 52
• 3.5 Simulation Results 55
• 3.5.1 Distribution Approximations 55
• 3.5.2 Main Results 56
• 3.5.3 Jamming Strategy 58
• 3.6 Conclusion 59
• Chapter 4. Robust Channel Estimation for Advanced Waveforms: A Pilot Geometry Optimization Approach under Off-Grid Leakage 62
• 4.1 Introduction 62
• 4.2 System Model 65
• 4.2.1 Off-Grid Leakage Model 65
• 4.2.2 The Ambiguity Problem 66
• 4.3 Proposed Method: Geometry Optimization 67
• 4.3.1 Objective: Minimizing Sidelobes 68
• 4.3.2 Stochastic Greedy Search with Costas Initialization 69
• 4.3.3 Guard-Protected OMP 70
• 4.4 Evaluation 72
• 4.4.1 Simulation Setup 72
• 4.4.2 Simulation Results 73
• 4.5 Conclusion 74
• Chapter 5. Conclusion 76
• 5.1 Summary of Contributions 76
• 5.2 Future Directions 77
• Bibliography 79
• Abstract (In Korean) 89