[논문 리뷰] Physical Layer Security of Terahertz and Infrared Wireless Links in Atmospheric Turbulence

Yu Mei, Xiao Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 23인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 대기 난류 조건 하에서 테라헤르츠(THz) 및 적외선(1550 nm) 무선 링크의 물리계층 보안을 조사하며, 난류로 인한 감쇠, 기체 흡수 및 빔 분산을 모델링한다. 연구 결과, THz 링크가 IR 링크보다 더 높은 기밀성 용량과 더 낮은 장애 확률을 보이며, 난류가 있는 대기 조건에서 더 뛰어난 물리계층 보안을 제공함을 시사한다.

ABSTRACT

The future applications of terahertz (THz) wireless communication require investigations on link secrecy performance in all kinds of atmospheric conditions, including fog, snow, rain and atmospheric turbulence. Here, we present theoretical studies on physical layer security of point-to-point THz and infrared (IR) wireless links in atmospheric turbulence with a potential eavesdropper outside of the link path. Attenuations due to turbulence, gaseous absorption and beam divergence are included in the model to predict the propagation of both links. Secrecy capacity and outage probability of the THz links are calculated and compared with that of an IR (1550 nm) link. Dependences of link security on eavesdropper's position, atmospheric visibility, turbulence strength and intended data transmission rate are also presented and analyzed. We find that the THz link owns higher security at physical layer than the IR link.

연구 동기 및 목표

• 대기 난류 조건 하에서 테라헤르츠(THz) 및 적외선(IR) 무선 링크의 물리계층 기밀성 성능을 분석하기 위해.
• visibility(가시도), 난류 강도, 스파이 위치와 같은 대기 조건이 링크 보안에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 실제 전파 환경에서 THz 및 IR(1550 nm) 링크 간의 기밀성 용량과 장애 확률을 비교하기 위해.
• THz 링크가 IR 링크보다 물리계층 보안 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 대기 난류, 기체 흡수 및 빔 분산을 포함한 통합 감쇠 모델을 사용하여 THz 및 IR 링크의 신호 전파를 모델링하기 위해.
• 대기 난류가 신호 감쇠에 미치는 통계적 영향을 표현하기 위해 확률적 채널 모델을 적용하기 위해.
• 주 링크 용량과 스파이의 채널 용량의 차이를 기반으로 기밀성 용량을 계산하기 위해.
• 목표 속도 이하로 기밀성 용량이 떨어질 확률로 장애 확률을 유도하며, 다양한 난류 및 가시도 조건 하에서 분석하기 위해.
• 주 링크 경로에 대한 스파이 위치에 따라 성능 지표를 시뮬레이션하고 비교하기 위해.
• 전송 속도, 대기 가시도, 난류 강도에 따른 보안 지표의 의존도를 정량화하기 위해 분석식을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 난류는 THz 및 IR 무선 링크의 기밀성 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 스파이 위치는 THz 및 IR 링크의 물리계층 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 대기 가시도 및 난류 강도의 변화는 기밀성 장애 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 의도한 데이터 전송 속도는 THz 및 IR 링크의 보안 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 THz 링크가 IR 링크보다 물리계층 보안 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 동일한 대기 조건 하에서 THz 링크는 IR(1550 nm) 링크보다 더 높은 기밀성 용량을 보이며, 이는 더 뛰어난 물리계층 보안을 의미한다.
• 특히 중간에서 강한 난류 조건에서, THz 링크의 기밀성 장애 확률은 IR 링크보다 낮다.
• 스파이 위치는 보안에 중대한 영향을 미치며, 주 링크 경로에서 멀리 떨어져 있을수록 기밀성 성능이 가장 뛰어나게 된다.
• 대기 가시도가 감소함에 따라 두 링크의 기밀성 용량은 둘 다 열악해지지만, THz 링크는 여전히 IR 링크보다 성능 우위를 유지한다.
• 높은 전송 속도는 두 링크의 기밀성 장애 확률을 증가시키지만, THz 링크는 고속 전송 조건에서도 더 뛰어난 내구성을 보인다.
• 난류 강도는 IR 링크보다 THz 링크에 더 강한 부정적 영향을 미치며, 이는 고난류 환경에서 THz 링크의 보안 우위를 더욱 강화한다.