[논문 리뷰] Physical-Layer Security for Two-Hop Air-to-Underwater Communication Systems With Fixed-Gain Amplify-and-Forward Relaying

Yi Lou, Ruofan Sun외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 21.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고정 이득 수신 증폭 중계 방식을 사용하는 이중호프 공기-수중 통신 시스템에 대한 물리계층 보안 분석을 제안한다. 수중 무선 광채널은 통합 혼합 지수-일반화된 감마 분포로 모델링하고, RF 채널은 융통성 있는 α−µ 분포로 모델링한다. 주요 기여는 이변량 포크의 H-함수를 사용하여 비밀성 탈진 확률(SOP)과 비영일 확률 비밀성 용량(PNZ)에 대한 폐형 표현식을 유도한 것으로, 에너지 효율 최적화 및 실용적인 채널 조건(예: 기포, 온도 기울기, 다중 경로 군집) 하에서의 성능 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We analyze a secure two-hop mixed radio frequency (RF) and underwater wireless optical communication (UWOC) system using a fixed-gain amplify-and-forward (AF) relay. The UWOC channel is modeled using a unified mixture exponential-generalized Gamma distribution to consider the combined effects of air bubbles and temperature gradients on transmission characteristics. Both legitimate and eavesdropping RF channels are modeled using flexible $α-μ$ distributions. Specifically, we first derive both the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-noise ratio (SNR) of the mixed RF and UWOC system. Based on the PDF and CDF expressions, we derive the closed-form expressions for the tight lower bound of the secrecy outage probability (SOP) and the probability of non-zero secrecy capacity (PNZ), which are both expressed in terms bivariate Fox's $H$-function. To utilize these analytical expressions, we derive asymptotic expressions of SOP and PNZ using only elementary functions. Also, we use asymptotic expressions to determine the optimal transmitting power to maximize energy efficiency. Further, we thoroughly investigate the effect of levels of air bubbles and temperature gradients in the UWOC channel, and study nonlinear characteristics of the transmission medium and the number of multipath clusters of the RF channel on the secrecy performance. Finally, all analyses are validated using Monte Carlo simulation.

연구 동기 및 목표

• 해수중 IoT 네트워크에서 고속도, 장거리 수중 통신을 보안화하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 고정 이득 수신 증폭 중계(AF) 방식을 사용하는 이중호프 혼합 RF 및 수중 무선 광통신(UWOC) 시스템에서의 기밀성 성능을 분석하기 위해.
• 공기 기포와 온도 기울기를 포함하여 UWOC 채널을 정확히 모델링하기 위해 통합 혼합 지수-일반화된 감마 분포를 사용하기 위해.
• 다중 경로 군집과 감쇠 심각도를 포괄할 수 있도록 융통성 있는 α−µ 분포를 사용하여 RF 채널을 모델링하기 위해.
• 성능 평가 및 최적화를 가능하게 하기 위해 비밀성 탈진 확률(SOP)과 비영일 확률 비밀성 용량(PNZ)에 대한 폐형 표현식을 도출하기 위해.

제안 방법

• 통신 범위를 연장하고 데이터 전송률을 향상시키기 위해 고정 이득 수신 증폭 중계(AF) 방식을 사용하는 이중호프 혼합 RF-UWOC 시스템을 사용한다.
• 공기 기포와 온도 기울기의 병합 효과를 반영하기 위해 수중 무선 광채널을 통합 혼합 지수-일반화된 감마 분포로 모델링한다.
• 합법적 및 도청자 RF 채널을 모두 모델링하기 위해 α−µ 분포를 활용하여 다중 경로 감쇠와 군집을 융통성 있게 모델링한다.
• 일반화된 특수 함수를 사용하여 종단 간 신호 대 잡음비(SNR)의 확률밀도함수(PDF) 및 누적분포함수(CDF)에 대한 정확한 폐형 표현식을 도출한다.
• 이변량 포크의 H-함수를 사용하여 SOP와 PNZ를 유도함으로써 정밀한 기밀성 성능 평가를 가능하게 한다.
• 기초 함수를 사용한 점근적 표현식을 개발하여 에너지 효율 최적화 및 시스템 설계를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UWOC 채널에서 공기 기포와 온도 기울기의 병합 효과가 이중호프 시스템의 기밀성 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 α−µ 분포로 모델링된 RF 채널에서의 다중 경로 군집과 감쇠 심각도가 비밀성 탈진 확률과 비영일 비밀성 용량에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 고정 이득 AF 중계 방식을 사용하는 혼합 RF-UWOC 시스템에서 비밀성 탈진 확률과 비영일 비밀성 용량을 분석적으로 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ4 고신호 대 잡음비(SNR) 영역에서 SOP와 PNZ의 점근적 행동은 무엇이며, 이를 에너지 효율 최적화에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 실제 시스템 파라미터인 송신 전력과 채널 통계가 실제 UWOC 및 RF 채널 조건 하에서 기밀성 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 이변량 포크의 H-함수를 사용하여 SOP와 PNZ에 대한 폐형 표현식을 도출하여 혼합 RF-UWOC 시스템에서 정밀한 기밀성 성능 평가를 가능하게 한다.
• 기초 함수를 사용한 SOP와 PNZ의 점근적 표현식을 도출하여 성능 분석 및 에너지 효율 최적화를 용이하게 한다.
• 점근적 표현식을 활용하여 에너지 효율을 극대화하는 최적의 송신 전력을 도출하였으며, 기밀성 비율과 전력 소비 간의 상충 관계를 보여준다.
• 공기 기포 밀도와 온도 기울기가 증가할수록 기밀성 성능이 열악해지며, 특히 고속도 또는 난류가 심한 수중 환경에서 더 강한 영향을 미친다.
• RF 채널에서 다중 경로 군집 수가 많아질수록 기밀성 성능이 악화되며, 특히 감쇠 심각도가 높은 영역에서 더욱 두드러진다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석적 유도 결과를 검증하였으며, 다양한 채널 조건에서 폐형 및 점근적 표현식의 정확성을 확인하였다.