[논문 리뷰] Average Secrecy Capacity of Free-Space Optical Communication Systems with On-Off Keying Modulation and Threshold Detection

Jinxiao Zhu, Chen Yin외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 24.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대기 흐릿이 발생하는 환경에서 온오프 키우잉(OOK) 변조와 임계치 검출을 사용하는 자유공간광(Free-space optical, FSO) 통신 시스템의 평균 비밀성 용량 분석을 위한 일반적 프레임워크를 제안한다. 비트 오류 확률을 바탕으로 순시 비밀성 용량의 하한을 유도하고 평균 비밀성 용량에 대한 일반적 표현식을 수립하며, 흐릿이가 Bob의 채널이 Eve의 채널보다 현저히 우월할 경우 비밀성 용량을 떨어뜨리지만, Eve의 채널이 더 강력할 경우 비밀성 용량을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This paper considers secure communication over free-space optical (FSO) links suffering from turbulence-induced fading. In particular, we study the average secrecy capacity of applying physical layer security to achieve security in an FSO communication system with binary-level on-off keying intensity modulation and threshold detection, a widely used system in FSO communication. We first define the instantaneous secrecy capacity for our system and then provide a lower bound of it, which is achieved based on a simple design principle for practical applications and yields a simpler equation. We next derive a general expression of the average secrecy capacity and the corresponding lower bound based on bit error probabilities. Finally, numerical analysis is conducted for the special case of the correlated log-normal fading model to show the impacts of fading and channel correlation on the average secrecy capacity.

연구 동기 및 목표

• 자유공간광(Free-space optical, FSO) 통신의 개방된 무선 매체와 빔 분산으로 인한 보안 취약성을 해결하기 위해.
• 대기 흐릿이 조건 하에서 강도 변조와 임계치 검출을 사용하는 OOK를 적용한 FSO 시스템의 평균 비밀성 용량을 정량화하기 위해.
• 실제 시스템 설계를 위한 실용적 접근을 위해 비트 오류 확률을 바탕으로 순시 비밀성 용량의 하한을 유도하기 위해.
• 일반적인 평균 비밀성 용량 표현식을 수립하고 관련된 상관관계가 있는 로그노멀 흐릿이 조건 하에서의 행동을 분석하기 위해.
• 실제 FSO 시나리오에서 흐릿이 강도와 채널 상관관계가 비밀성 용량에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 지정된 흐릿 상태 하에서 OOK 변조와 임계치 검출을 사용하는 FSO 시스템의 순시 비밀성 용량을 정의한다.
• 해도의 검출 임계치를 최적화하여 순시 비밀성 용량의 하한을 유도하며, 이 하한이 '0'과 '1' 심볼에 대한 기대 출력값의 중간 지점에 해당하는 임계치일 때 최대가 됨을 보여준다.
• Bob과 Eve에서의 비트 오류 확률을 사용하여 평균 비밀성 용량의 일반형과 그 하한을 표현한다.
• 수치적 평가를 위해 일반 표현식을 상관관계가 있는 로그노멀 흐릿이 모델로 특수화한다.
• 수치적 분석을 통해 흐릿이, 흐릿이 강도, 채널 상관관계가 비밀성 용량에 미치는 영향을 평가한다.
• 상호정보량과 오차함수 근사치를 포함한 정보이론적 도구를 사용하여 흐릿이 조건 하에서의 채널 행동을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 흐릿이는 OOK 기반 FSO 시스템의 평균 비밀성 용량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Bob과 Eve 간의 채널 상관관계는 비밀성 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 흐릿이가 비밀성 용량을 향상시키거나 악화시키는 조건는 무엇인가?
• RQ4 Bob의 채널이 Eve의 채널보다 현저히 우월할 경우 비밀성 용량은 어떻게 행동하는가?
• RQ5 실제 시스템 설계를 위해 비트 오류 확률을 사용하여 순시 비밀성 용량의 하한을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• Bob의 평균 신호대노이즈비(SNR)가 Eve보다 현저히 높을 경우(예: 10 dB), 흐릿이로 인한 흐릿이 효과는 비밀성 용량에 부정적인 영향을 미치며, 평균 비밀성 용량의 하한은 흐릿이 강도가 증가함에 따라 감소한다.
• Bob의 채널이 Eve의 채널보다 현저히 우월하지 않을 경우, 흐릿이는 실제로 비밀성 용량을 향상시킬 수 있으며, 이는 흐릿이와 보안성 간의 비단조화적 관계를 시사한다.
• Bob과 Eve 간의 채널 상관관계는 항상 비밀성 용량에 악영향을 미치며, 이는 RF 무선 시스템의 연구 결과와 일치한다.
• 유도된 순시 비밀성 용량의 하한은 해도의 검출 임계치가 '0'과 '1' 심볼의 기대 신호 수준의 합의 절반에 설정될 경우에 도달된다.
• 수치적 결과는 약한 흐릿이(로그노멀 흐릿이) 조건에서 흐릿이 분산이 증가할수록 평균 비밀성 용량이 감소하며, 특히 Bob의 SNR가 높을 경우에 더 뚜렷하게 나타남을 보여준다.
• 일반적인 평균 비밀성 용량 표현식은 다양한 흐릿이 및 상관관계 조건 하에서의 성능 평가를 가능하게 하며, 현실적인 FSO 채널 모델 하에서의 시스템 설계를 지원한다.