LEO 위성 통신 시스템을 위한 물리 계층 비밀 키 생성 = Physical layer secret key generation for LEO satellite communication systems

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 위성 사물통신(Internet of Things; IoT) 시스템에 효과적으로 적용할 수 있는 물리 계층 비밀키 생성(Physical layer secret key generation; PLSKG) 방식을 제안한다.
PLSKG는 계산 복잡도가 큰 상위 계층의 암호화 기법에 의존하지 않고, 합법 사용자들이 공유하는 채널 상태 정보(channel state information; CSI)의 랜덤성과 대칭성을 활용하는 효율적인 기법이다. 그러나 위성 IoT 시스템에 PLSKG 방식을 적용하는 데에는 여러가지 문제점이 존재한다.
첫째, 위성 채널의 긴 상관 시간은 PLSKG로 부터 랜덤성을 보장할 수 없게 한다. 둘째, 위성 시스템의 높은 고도와 만연한 가시(line of sight; LoS)경로로 인하여 합법 사용자와 도청자가 경험하는 채널의 상관도가 높아질 수 있으며, 이는 전체적인 보안 성능을 약화시키는 문제점이 발생한다. 셋째, 위성 IoT 환경은 에너지 자원이 극도로 제한적이므로, 저복잡도 기법이 필수적으로 요구된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문은 세 가지 핵심 기술을 이용한 효율적인 위성 IoT 용 PLSKG 기법을 제안한다. 첫째, 긴 상관 시간 하에서도 랜덤성을 보장하기 위하여, CSI와 전송 데이터를 결합한 키 생성 기법을 제안한다. 둘째, 합법 사용자와 불법 도청자 간의 상관성을 감소시키기 위하여, 적층 지능형 메타표면(stacked intelligent metasurface, SIM)을 활용하는 기법을 제안한다. 마지막으로, PLSKG의 최종 키 일치율에 기여하는 정보 화해 (information reconciliation; IR)기법으로써, 극부호(polar code)의 역방향 부화화을 기반으로 하여 복잡도 감소에 크게 기여할 수 있는 기법을 제안한다.
본 논문에서 제시된 시뮬레이션 결과들은, 제안된 PLSKG 기법이 키 랜덤성, 키 일치율등 보안 성능 향상에 크게 기여하면서도 기존 방식에 비해 복잡도를 감소시키는 효과적인 방법이 될 수 있음을 보였다. 향후 연구로서는 SIM 구성 전략의 최적화, 효율적인 양자화(quantization) 기법 및 IR 과정에서 사용되는 최적의 오류정정부호기법등을 고려할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes an efficient physical layer secret key generation (PLSKG) method which is specifically tailored for satellite Internet of Things (IoT) applications. PLSKG leverages the randomness and reciprocity of channel state information (CSI) between legitimate parties to establish shared secret keys without relying on computational security assumptions. However, its application to satellite IoT systems faces critical challenges.
First, the long channel coherence time of the satellite systems limits the amount of extractable randomness. Second, due to the high altitude and the resulting dominance of line-of-sight (LoS) propagation of the satellite systems, the channels experienced by legitimate users and potential eavesdroppers may exhibit high spatial correlation, thereby degrading the overall secrecy performance. Third, satellite IoT systems are constrained by limited energy resources, necessitating a low-complexity method.
To overcome these challenges, this thesis proposes a comprehensive framework comprising three major contributions. First, we propose a data-aided PLSKG scheme that enhances randomness by jointly exploiting CSI and the transmitted data. Second, a stacked intelligent metasurface (SIM) is incorporated to decorrelate the legitimate and eavesdropping channels. Finally, a lightweight information reconciliation (IR) method is proposed, by employing an inverse encoding of polar codes.
Simulation results demonstrate that the proposed PLSKG schemes significantly not only enhance various performances, including the key randomness and key agreement rates, but also decrease computational complexity, compared to the existing methods. Future work may further explore optimizing SIM configuration strategies, investigating efficient quantization schemes, and the optimum forward error correction (FEC) schemes for IR.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 2 Related Works 5
• 2.1 The challenges of PLS in LEO satellite communication systems 5
• 2.2 Fundamentals of physical layer secret key generation 6
• 2.3 Polar codes 9
• 2.4 Conventional PLSKG with systematic polar codes 11
• 2.5 Basic concept of SIM 14
• 3 Proposed Method 16
• 3.1 Motivation and concept 16
• 3.2 Data-aided PLSKG for satellite IoT systems 17
• 3.2.1 Basic concept 17
• 3.2.2 Data-aided strategies 19
• 3.2.3 Discussions 22
• 3.3 PLSKG for SIM-based satellite IoT system 23
• 3.3.1 System model 23
• 3.3.2 Proposed REPC-based PLSKG 26
• 4 Simulation Results and Analysis 30
• 4.1 Simulation setup and performance metric 30
• 4.2 Performance evaluation of the data-aided method 33
• 4.3 Performance evaluation of SIM-aided method 43
• 5 Conclusion 49
• References 51
• List of Achievements 57
• Abstract (In Korean) 58