[논문 리뷰] On the Secrecy Performance of Random VLC Networks with Imperfect CSI and Protected Zone

Jin‐Yuan Wang, Yu Qiu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 13.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보(CSI)와 보호 구역을 고려한 무작위 실내 광통신(VLC) 네트워크에서 물리계층 비밀성 성능을 분석한다. 평균 비밀 통신 용량과 비밀성 장애 확률의 하한을 위한 닫힌 형태의 표현식을 유도하며, 보호 구역과 불완전한 CSI가 보안에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주며, 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

ABSTRACT

This paper investigates the physical-layer security for a random indoor visible light communication (VLC) network with imperfect channel state information (CSI) and a protected zone. The VLC network consists of three nodes, i.e., a transmitter (Alice), a legitimate receiver (Bob), and an eavesdropper (Eve). Alice is fixed in the center of the ceiling, and the emitted signal at Alice satisfies the non-negativity and the dimmable average optical intensity constraint. Bob and Eve are randomly deployed on the receiver plane. By employing the protected zone and considering the imperfect CSI, the stochastic characteristics of the channel gains for both the main and the eavesdropping channels is first analyzed. After that, the closed-form expressions of the average secrecy capacity and the lower bound of secrecy outage probability are derived, respectively. Finally, Monte-Carlo simulations are provided to verify the accuracy of the derived theoretical expressions. Moreover, the impacts of the nominal optical intensity, the dimming target, the protected zone and the imperfect CSI on secrecy performance are discussed, respectively.

연구 동기 및 목표

• 무작적으로 배치된 정상 수신기와 스노이드 수신기로 구성된 현실적인 실내 VLC 네트워크에서 물리계층 보안 성능을 평가하기 위해.
• VLC 시스템에서 불완전한 CSI와 조명 조절 제약 조건의 실용적 제약을 다루기 위해.
• 무작위 VLC 네트워크에서 보호 구역이 비밀성 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이러한 현실적인 조건 하에서 평균 비밀 통신 용량과 비밀성 장애 확률에 대한 해석적 표현식을 도출하기 위해.

제안 방법

• 고정된 송신기(앨리스), 무작위로 배치된 정상 수신기(밥), 수신기 평면상의 스노이드 수신기(이브)로 구성된 삼노드 VLC 네트워크를 모델링한다.
• 비음성 강도 및 조명 조절 제약 조건 하에서 주 채널과 스노이드 채널의 스토케스틱 채널 이득을 분석한다.
• 통계적 채널 모델링과 모멘트 생성 함수 기법을 사용하여 평균 비밀 통신 용량에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 불완전한 CSI 하에서 채널 이득의 누적분포함수를 고려하여 비밀성 장애 확률의 하한을 설정한다.
• 다양한 시스템 파라미터에서 이론적 유도 결과를 검증하기 위해 몽테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 보안 강화를 위해 이브의 수신을 제한하는 공간적 제약 조건으로서의 보호 구역을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI는 보호 구역이 있는 무작위 VLC 네트워크에서 비밀성 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 무작적으로 배치된 수신기를 갖는 VLC 네트워크에서 불완전한 CSI 하에서 평균 비밀 통신 용량에 대한 해석적 표현식은 무엇인가?
• RQ3 다양한 시스템 파라미터, 예를 들어 조명 목표값과 보호 구역 크기에서 비밀성 장애 확률은 어떻게 행동하는가?
• RQ4 보호 구역은 비밀성 장애 확률의 하한에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표준 광강도와 조명 목표값은 전체 비밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 평균 비밀 통신 용량이 닫힌 형태로 유도되었으며, 조명 목표값과 광강도에 직접적인 의존성을 보이며, 높은 조명 목표값일수록 비밀 통신 용량이 감소함을 보여준다.
• 채널 이득의 다섯 가지 별개의 영역에서 비밀성 장애 확률의 하한이 도출되었으며, 각 영역는 서로 다른 신호대간섭비(SINR)와 공간적 제약 조건에 해당한다.
• 보호 구역은 스노이드 수신기의 채널 이득을 효과적으로 감소시켜 비밀성 장애 성능을 크게 향상시키며, 특히 이브가 저확률 영역에 제한된 경우 두드러진 개선 효과를 보인다.
• 불완전한 CSI는 비밀성 성능을 열악하게 만들며, 특히 고신호대잡음비(SNR) 영역에서 CSI 추정 오차가 증가할수록 비밀성 장애 확률이 증가한다.
• 몽테카를로 시뮬레이션은 유도된 모든 경우에 대해 이론적 표현식의 정확성을 확인하며, 해석적 모델의 타당성을 검증한다.
• 결과적으로 최적의 시스템 설계를 위해서는 조명 요구사항, 보호 구역 크기, CSI 정확성 간의 균형을 맞추어 비밀 통신 용량을 극대화해야 한다.