[논문 리뷰] On Secure Mixed RF-FSO Systems With TAS and Imperfect CSI

Hongjiang Lei, Haolun Luo외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 05.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 탈취자와 부정확한 채널 상태 정보(CSI)를 가진 혼합 RF-FSO 이중호 중계 시스템에서 물리적 계층 보안을 조사하며, 비밀성 성능을 향상시키기 위해 네 가지 전송 안테나 선택(TAS) 방식을 제안한다. 나이카가미-m 및 말라가 fading 채널에서 PDF 및 CDF에 대한 폐쇄형 표현을 유도하고, 오래된 RF-C sein과 불완전한 FSO-C sein의 영향을 분석하며, 유효 비밀 통신량에 대한 경계를 수립하여 오래된 CSI가 비밀성 성능을 크게 악화시키고, 전송 안테나 수를 늘려도 성능 향상이 제한적임을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, we analyze the secrecy outage performance of a dual-hop relay system composed of multiple-input-multiple-output radio-frequency (RF) links and a free-space optical (FSO) link while a multiple-antenna eavesdropper wiretaps the confidential information by decoding the received signals from the resource node. The channel state information (CSI) of the RF and FSO links is considered to be outdated. We propose three transmit antenna selection (TAS) schemes to enhance the secrecy performance of the considered systems. The secrecy outage performance with different TAS schemes is analyzed and the effects of misalignment and detection technology on the secrecy outage performance of mixed systems are studied. We derive the closed-form expressions for probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) over Málaga channel with imperfect CSI. Then the closed-form expressions for the CDF and PDF of the equivalent signal-to-noise ratio (SNR) at the legitimate receiver over Nakagami-$m$ and Málaga channels are derived. Furthermore, the lower bound of the secrecy outage probability (SOP) with different TAS schemes are derived. Besides, the asymptotic results for SOP are investigated by exploiting the unfolding of Meijer's $G$-function when the electrical SNR of FSO link approaches infinity. Finally, Monte-Carlo simulation results are presented to testify the correctness of the proposed analysis. The results illustrate that the outdated CSI shows a strong effect on the secrecy outage performance. In addition, increasing the number of antennas at the source cannot significantly enhance the secrecy performance of the considered systems.

연구 동기 및 목표

• 불완전하고 오래된 CSI 하에서 혼합 RF-FSO 이중호 중계 시스템의 비밀성 아웃오지 성능을 분석하기 위해.
• 오래된 RF-C sein과 불완전한 FSO-C sein이 물리적 계층 보안에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비밀성 성능 향상을 위해 네 가지 전송 안테나 선택(TAS) 방식을 설계하고 비교하기 위해.
• 나이카가미-m 및 말라가 fading 채널에서 정합된 신호 대 잡음비(SNR)의 PDF 및 CDF에 대한 폐쇄형 표현을 유도하기 위해.
• 유효 비밀 통신량(EST)에 대한 경계를 수립하고 FSO-SNR이 증가함에 따라의 점점 가까운 행동을 조사하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 CSI 하에서 나이카가미-m 및 말라가 fading 채널에서 정합된 수신기의 등가 신호 대 잡음비(SNR)의 확률밀도함수(PDF) 및 누적분포함수(CDF)를 유도한다.
• 다중 안테나 탈취자가 존재하는 환경에서 공간 다양성을 활용하고 비밀성 성능을 향상시키기 위해 네 가지 TAS 방식을 제안한다.
• 통계적 채널 모델을 사용하여 RF 링크의 오래된 CSI와 FSO 링크의 불완전한 CSI를 고려하며, 상관관계와 추정 오차를 포함한다.
• 메이저의 G-함수와 특수함수 항등식(예: 수정형 베셀 함수)을 적용하여 SNR 통계에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 유효 비밀 통신량(EST)에 대한 경계를 유도하고, 메이저의 G-함수의 급수 전개를 사용하여 점점 가까운 행동을 조사한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 정확성을 검증하여 다양한 시스템 구성 조건 하에서의 정확성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 링크의 오래된 CSI는 혼합 RF-FSO 시스템에서 비밀성 아웃오지 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 FSO 링크의 불완전한 CSI는 전체 비밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 불완전한 CSI 하에서 다양한 전송 안테나 선택(TAS) 방식은 비밀성 통신량 향상에 어떻게 비교되는가?
• RQ4 나이카가미-m 및 말라가 fading 채널에서 정합된 수신기의 등가 신호 대 잡음비(SNR)의 PDF 및 CDF에 대한 폐쇄형 표현은 무엇인가?
• RQ5 FSO 링크의 전기적 신호 대 잡음비(SNR)가 무한대에 가까워질 때 유효 비밀 통신량(EST)의 점점 가까운 행동은 어떻게 되는가?

주요 결과

• RF 링크의 오래된 CSI는 비밀성 아웃오지 성능에 강력한 부정적 영향을 미치며, 시스템 보안을 크게 악화시킨다.
• FSO 링크의 불완전한 CSI는 비밀성 성능을 추가로 악화시키며, 특히 탈취자가 송신기 또는 수신기에 가까이 위치해 있을 경우 더욱 심각하다.
• 송신기의 전송 안테나 수를 늘려도 오래된 CSI의 지배적 영향로 인해 비밀성 성능 향상이 유의미하게 이루어지지 않는다.
• 제안된 TAS 방식은 비밀성 성능 향상에 효과적이며, 유효 비밀 통신량(EST)에 대한 분석적 경계가 폐쇄형으로 유도되었다.
• FSO 링크의 전기적 신호 대 잡음비(SNR)가 증가함에 따라 EST의 점점 가까운 행동은 메이저의 G-함수의 전개를 통해 규명되며, 고신호 대 잡음비 성능에 대한 통찰을 제공한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 PDF, CDF 및 EST 경계에 대한 유도된 분석 표현의 정확성이 다양한 채널 조건 하에서 확인되었다.