[論文レビュー] Physical-Layer Security for Two-Hop Air-to-Underwater Communication Systems With Fixed-Gain Amplify-and-Forward Relaying

Yi Lou, Ruofan Sun+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、固定利得アンプアンドフォワードリレーリングを用いた2ホップの空気-水中通信システムにおける物理層セキュリティ解析を提案する。水中無線光通信チャネルは統一混合エクスポネンシャル-一般化ガンマ分布でモデル化され、RFチャネルは柔軟な α−µ 分布でモデル化される。主な貢献は、二変量フォックスのH関数を用いて、セキュリティアウトレイジ確率（SOP）および非ゼロセキュリティ容量確率（PNZ）の閉形式式を導出することであり、エネルギー効率最適化および実用的チャネル条件（空気泡、温度勾配、マルチパスクラスタを含む）下での性能解析を可能にする漸近式も提供する。

ABSTRACT

We analyze a secure two-hop mixed radio frequency (RF) and underwater wireless optical communication (UWOC) system using a fixed-gain amplify-and-forward (AF) relay. The UWOC channel is modeled using a unified mixture exponential-generalized Gamma distribution to consider the combined effects of air bubbles and temperature gradients on transmission characteristics. Both legitimate and eavesdropping RF channels are modeled using flexible $α-μ$ distributions. Specifically, we first derive both the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-noise ratio (SNR) of the mixed RF and UWOC system. Based on the PDF and CDF expressions, we derive the closed-form expressions for the tight lower bound of the secrecy outage probability (SOP) and the probability of non-zero secrecy capacity (PNZ), which are both expressed in terms bivariate Fox's $H$-function. To utilize these analytical expressions, we derive asymptotic expressions of SOP and PNZ using only elementary functions. Also, we use asymptotic expressions to determine the optimal transmitting power to maximize energy efficiency. Further, we thoroughly investigate the effect of levels of air bubbles and temperature gradients in the UWOC channel, and study nonlinear characteristics of the transmission medium and the number of multipath clusters of the RF channel on the secrecy performance. Finally, all analyses are validated using Monte Carlo simulation.

研究の動機と目的

• 水中IoTネットワークにおける高レート・長距離水中通信をセキュアに実現する課題に対処すること。
• 固定利得アンプアンドフォワード（AF）リレーリングを用いた2ホップ混合RFおよび水中無線光通信（UWOC）システムにおける機密性性能を分析すること。
• 空気泡と温度勾配を統合的に取り入れた統一混合エクスポネンシャル-一般化ガンマ分布を用いてUWOCチャネルを正確にモデル化すること。
• マルチパスクラスタリングと fading の深刻度を捉えるために柔軟な α−µ 分布を用いてRFチャネルをモデル化すること。
• 性能評価および最適化を可能にするために、セキュリティアウトレイジ確率（SOP）および非ゼロセキュリティ容量確率（PNZ）の閉形式式を導出すること。

提案手法

• 通信範囲の拡張およびデータレートの向上を目的として、固定利得AFリレーリングを用いた2ホップ混合RF-UWOCシステムを採用する。
• 空気泡と温度勾配の併存効果を捉えるために、UWOCチャネルを統一混合エクスポネンシャル-一般化ガンマ分布でモデル化する。
• 正当な受信者および盗聴者用のRFチャネルを両方とも α−µ 分布でモデル化し、マルチパスフェージングおよびクラスタリングの柔軟なモデル化を可能にする。
• 一般化特殊関数を用いて、エンドツーエンドSNRの確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）の正確な閉形式式を導出する。
• 二変量フォックスのH関数を用いてSOPおよびPNZを表現することで、正確な機密性性能評価を可能にする。
• 初等関数を用いた漸近式を導出し、エネルギー効率最適化およびシステム設計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UWOCチャネルにおける空気泡と温度勾配の併存効果が、2ホップシステムの機密性性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 α−µ分布でモデル化されるRFチャネルにおけるマルチパスクラスタリングおよびフェージング深刻度が、セキュリティアウトレイジ確率および非ゼロセキュリティ容量に与える影響は何か？
• RQ3 固定利得AFリレーリングを用いた混合RF-UWOCシステムにおいて、セキュリティアウトレイジ確率および非ゼロセキュリティ容量を解析的にどのように表現できるか？
• RQ4 高SNR領域におけるSOPおよびPNZの漸近的挙動は何か？ そして、それらはどのようにエネルギー効率最適化に活用できるか？
• RQ5 送信電力やチャネル統計などの実用的システムパラメータが、現実的なUWOCおよびRFチャネル条件下での機密性性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本稿では、二変量フォックスのH関数を用いてSOPおよびPNZの閉形式式を導出し、混合RF-UWOCシステムにおける正確な機密性性能評価を可能にした。
• 初等関数を用いたSOPおよびPNZの漸近式を導出し、性能解析およびエネルギー効率最適化を容易にした。
• 漸近式を用いて、エネルギー効率を最大化する最適送信電力を特定した。その結果、セキュリティレートと電力消費のトレードオフが明確に示された。
• 空気泡の密度の上昇および温度勾配の増大は、機密性性能を劣化させるが、特に高移動度または乱流状態のUWOC環境では顕著な悪影響が見られた。
• RFチャネルにおけるマルチパスクラスタ数の増加（α−µでモデル化）は、機密性性能を劣化させるが、特にフェージング深刻度が高い領域で顕著であった。
• モンテカルロシミュレーションにより、解析的導出の妥当性が検証され、さまざまなチャネル条件下で閉形式式および漸近式の正確性が確認された。