[論文レビュー] Physical Layer Security of Terahertz and Infrared Wireless Links in Atmospheric Turbulence

Yu Mei, Xiao Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、大気乱流下におけるテラヘルツ（THz）および赤外線（1550 nm）無線リンクの物理層セキュリティを調査し、乱流による減衰、ガス吸収、ビーム拡散をモデル化している。THzリンクはIRリンクに比べて高い機密容量と低いアウトージー確率を達成しており、乱流大気条件下での物理層セキュリティが優れていることを示している。

ABSTRACT

The future applications of terahertz (THz) wireless communication require investigations on link secrecy performance in all kinds of atmospheric conditions, including fog, snow, rain and atmospheric turbulence. Here, we present theoretical studies on physical layer security of point-to-point THz and infrared (IR) wireless links in atmospheric turbulence with a potential eavesdropper outside of the link path. Attenuations due to turbulence, gaseous absorption and beam divergence are included in the model to predict the propagation of both links. Secrecy capacity and outage probability of the THz links are calculated and compared with that of an IR (1550 nm) link. Dependences of link security on eavesdropper's position, atmospheric visibility, turbulence strength and intended data transmission rate are also presented and analyzed. We find that the THz link owns higher security at physical layer than the IR link.

研究の動機と目的

• 大気乱流下におけるテラヘルツ（THz）および赤外線（IR）無線リンクの物理層機密性能を分析すること。
• 視界、乱流強度、盗聴者位置などの大気条件がリンクセキュリティに与える影響を評価すること。
• 現実的な伝搬環境下で、THzおよびIR（1550 nm）リンク間の機密容量およびアウトージー確率を比較すること。
• THzリンクがIRリンクに比べて物理層セキュリティで優位に立つ条件を特定すること。

提案手法

• 大気乱流、ガス吸収、ビーム拡散を含む統合減衰モデルを用いて、THzおよびIRリンクの信号伝搬をモデル化すること。
• 確率的チャネルモデルを用いて、大気乱流が信号フェージングに与える統計的影響を表現すること。
• 主リンクの容量と盗聴者のチャネル容量の差に基づいて機密容量を計算すること。
• 目標レート未満の機密容量となる確率としてアウトージー確率を定義し、乱流および視界条件を変化させた状況で評価すること。
• 盗聴者位置が主リンクパスに対して異なる場合の性能指標をシミュレーションし、比較すること。
• 解析的式を用いて、送信レート、大気視界、乱流強度がセキュリティ指標に与える依存関係を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気乱流はTHzおよびIR無線リンクの機密容量にどのように影響するか？
• RQ2 盗聴者位置はTHzおよびIRリンクの物理層セキュリティにどのような影響を与えるか？
• RQ3 大気視界および乱流強度の変動は、機密アウトージー確率にどのように影響するか？
• RQ4 目的のデータ送信レートは、THzおよびIRリンクのセキュリティ性能にどのように影響するか？
• RQ5 THzリンクがIRリンクに比べて物理層セキュリティで優位に立つ条件は何か？

主な発見

• 同じ大気条件下でも、THzリンクはIR（1550 nm）リンクに比べて高い機密容量を示しており、物理層セキュリティが優れていることを示している。
• 特に中程度から強い乱流条件下では、THzリンクの機密アウトージー確率がIRリンクに比べて低く抑えられている。
• 盗聴者位置はセキュリティに顕著な影響を与え、主リンクパスから遠く離れた位置にいる場合に最も高い機密性能が得られている。
• 大気視界が低下するにつれて、両リンクの機密容量は劣化するが、THzリンクはIRリンクに比べて性能優位性を維持している。
• 高いデータ送信レートは両リンクの機密アウトージー確率を増加させるが、THzリンクは高レート伝送下でもより耐性がある。
• 乱流強度はIRリンクに比べてTHzリンクにより強い悪影響を与えるが、高乱流環境下ではTHzリンクのセキュリティ優位性がさらに強化される。