[論文レビュー] Secrecy Outage Analysis of Energy Harvesting Relay-based Mixed UOWC-RF Network with Multiple Eavesdroppers

Moloy Kumar Ghosh, Milton Kumar Kundu+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、複数の盗聴者を伴う混合水中光(UOWC)-RFネットワークにおけるエネルギー効率化リレーセキュリティの物理層セキュリティを分析する。盗聴者が協調するか否かの両状況下で、機密性アウトージー確率、正の機密容量が得られる確率、有効機密スループットの閉形式式を導出しており、協調的盗聴者が機密性能を著しく悪化させることを示している。一方で、混合検出とダイバーシティ結合はセキュリティを顕著に向上させる。

ABSTRACT

This work deals with the physical layer security performance of a dual-hop underwater optical communication (UOWC)-radio frequency (RF) network under the intruding attempts of multiple eavesdroppers via RF links. The intermediate decode and forward relay node between the underwater source and the destination transforms the optical signal into electrical form and re-transmits it to the destination node with the help of harvested energy by the relay from an integrated power beacon within the system. The source-to-relay link (UOWC) follows a mixture exponential generalized Gamma turbulence with pointing error impairments whereas all the remaining links (RF) undergo $κ-μ$ shadowed fading. With regards to the types of intruders, herein two scenarios are considered, i.e., colluding ( extit{Scenario-I}) and non-colluding ( extit{Scenario-II}) eavesdroppers and the analytical expressions of secure outage probability, probability of strictly positive secrecy capacity, and effective secrecy throughput are derived in closed form for each scenario. Furthermore, the impacts of UOWC and RF channel parameters as well as detection techniques on secrecy capacity are demonstrated, and following this a comparison between the two considered scenarios is demonstrated that reveals the collusion between the eavesdroppers imposes the most harmful threat on secrecy throughput but a better secrecy level can be attained adopting diversity at the destination and power beacon nodes along with heterodyne detection rather than intensity modulation and direct detection technique. Finally, all the derived expressions are corroborated via Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• エネルギー効率化デコードアンドフォワードリレーを備えた二ホップUOWC-RFネットワークの物理層セキュリティ性能を評価すること。
• 協調的および非協調的盗聴者の影響をモデル化し、混合UOWC-RF環境下での機密指標に与える影響を比較すること。
• チャネルパラメータ（例： fadingの深刻度、ポイントエラー）および検出技術が機密スループットとアウトージーに与える影響を調査すること。
• ダイバーシティ結合とパワービーコンノードにおける受信側およびビーコン側の分岐結合、および混合検出が機密性能を向上させることを示すこと。

提案手法

• UOWCのフェージングを表すために、ポイントエラー劣化を伴う混合指数型一般化ガンマ分布を用いて、ソースからリレーへのリンクをモデル化する。
• RFチャネルを表すために、リレーから宛先およびリレーから盗聴者へのリンクをκ-μシャドウフェージング分布でモデル化する。
• 協調的（シナリオI）および非協調的（シナリオII）盗聴者状況の両方において、機密性アウトージー確率（SOP）、正の機密容量が得られる確率（SPSC）、有効機密スループット（EST）の閉形式式を導出する。
• 不完全なチャネル状態情報下で、統計的チャネルモデルとモーメント生成関数（MGF）に基づく手法を用いて解析的式を導出する。
• さまざまなチャネル状態およびシステムパラメータ下で、モンテカルロシミュレーションを用いてすべての解析的結果を検証する。
• 分岐結合、ビーコン電力の有無などの異なる検出技術（混合検出対IM/DD）およびシステム構成における機密性能を比較する。

Figure 1: Proposed System Model for Energy Harvesting Relay-based Mixed UOWC-RF Network with Multiple Eavesdroppers.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー効率化リレーと複数の盗聴者を有するUOWC-RF混合ネットワークにおいて、協調的および非協調的盗聴者状況下での機密性アウトージー確率はどのように変化するか？
• RQ2 UOWCの乱流およびポイントエラーは、正の機密容量が得られる確率にどのような影響を及えるか？
• RQ3 RFリンクにおけるフェージングパラメータ（κ、μ、m）は、有効機密スループットにどのように影響するか？
• RQ4 強度変調および直接検出（IM/DD）と比較して、混合検出はどの程度機密性能を向上させるか？
• RQ5 受信側およびパワー・ビーコン・ノードでの分岐結合は、盗聴者の協調的攻撃の悪影響を緩和できるか？

主な発見

• 協調的盗聴者状況では非協調的状況よりも著しく機密性能が劣り、協調的状況下では共同復号化のため、EST値が低くなる。
• リレーから宛先およびリレーから盗聴者へのリンクにおけるκおよびμパラメータの増加は、正の機密容量が得られる確率（SPSC）を向上させる。これは、フェージングの深刻度が高くなるほどリレーリンクにおける機密性が向上することを示唆している。
• 混合検出は、特に高いポイントエラーおよび乱流条件下で、IM/DDよりも優れた有効機密スループットを達成する。
• リレーのエネルギー変換効率（ηr）を高めることは、機密性アウトージー確率（SOP）を顕著に改善する。これは、より多くの回収エネルギーがより信頼性の高い伝送を可能にするということを示している。
• 受信側およびパワー・ビーコン・ノードでの分岐結合は、機密性能を顕著に向上させ、特に盗聴攻撃が強い状況下で顕著である。
• システムの機密性能は、劣悪なホップに支配され、乱流およびポイントエラーの影響を受けるソースからリレー（UOWC）リンクが最も深刻なボトルネックである。

Figure 2: The $\text{SOP}^{I}$ versus $\Phi_{sr}$ for selected values of $h$ , $l$ , and $\epsilon$ with $\xi=0.8$ , $G_{d}=G_{b}=G_{e}=2$ , $\kappa_{d}=\kappa_{b}=\kappa_{e}=1$ , $\mu_{d}=\mu_{b}=\mu_{e}=1$ , $m_{d}=m_{b}=m_{e}=2$ , $\eta_{r}=0.7$ , $\mathcal{E}_{I}=1$ , $P_{b}=20$ dB, $\Phi_{rd}=1