[논문 리뷰] Secrecy Outage Analysis of Energy Harvesting Relay-based Mixed UOWC-RF Network with Multiple Eavesdroppers

Moloy Kumar Ghosh, Milton Kumar Kundu외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 20.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다수의 가로채기자들이 존재하는 혼합형 수중광학(수중광통신, UOWC)-RF 네트워크에서 에너지 수확 기반 리피터의 물리계층 보안성을 분석한다. 공격자가 협력하는지 여부에 따라 비밀 유지 성능, 엄격히 양의 비밀 채널 용량 확률, 효과적 비밀 전송 속도에 대한 폐쇄형 수식을 유도하며, 공격자가 협력할 경우 보안 성능이 심각하게 악화됨을 보여주고, 이중 검출 및 다양성 복합 기법이 보안성을 크게 향상시킴을 확인한다.

ABSTRACT

This work deals with the physical layer security performance of a dual-hop underwater optical communication (UOWC)-radio frequency (RF) network under the intruding attempts of multiple eavesdroppers via RF links. The intermediate decode and forward relay node between the underwater source and the destination transforms the optical signal into electrical form and re-transmits it to the destination node with the help of harvested energy by the relay from an integrated power beacon within the system. The source-to-relay link (UOWC) follows a mixture exponential generalized Gamma turbulence with pointing error impairments whereas all the remaining links (RF) undergo $κ-μ$ shadowed fading. With regards to the types of intruders, herein two scenarios are considered, i.e., colluding ( extit{Scenario-I}) and non-colluding ( extit{Scenario-II}) eavesdroppers and the analytical expressions of secure outage probability, probability of strictly positive secrecy capacity, and effective secrecy throughput are derived in closed form for each scenario. Furthermore, the impacts of UOWC and RF channel parameters as well as detection techniques on secrecy capacity are demonstrated, and following this a comparison between the two considered scenarios is demonstrated that reveals the collusion between the eavesdroppers imposes the most harmful threat on secrecy throughput but a better secrecy level can be attained adopting diversity at the destination and power beacon nodes along with heterodyne detection rather than intensity modulation and direct detection technique. Finally, all the derived expressions are corroborated via Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수확 기반 디코딩-포워딩 리피터를 갖춘 이중호프 UOWC-RF 네트워크의 물리계층 보안 성능을 평가하기 위해.
• 혼합 UOWC-RF 환경에서 공격자가 협력하는지 여부에 따른 비밀 지표에 미치는 영향을 모델링하고 비교하기 위해.
• 채널 파rameter(예: fading 심화도, 포인터 오차)와 검출 기법이 비밀 전송 속도와 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 도메인과 전력 비콘 노드에서의 다양성 복합 및 이중 검출 기법이 비밀 보안 성능을 향상시킴을 보여주기 위해.

제안 방법

• 포인터 오차 잡음이 존재하는 UOWC 페이딩을 나타내기 위해, 소스-리피터 링크를 혼합 지수 일반화 감마 분포로 모델링한다.
• 리피터-목적지 및 리피터-가로채기자 링크를 κ-μ 쉐이딩 페이딩 분포로 모델링하여 RF 채널을 표현한다.
• 협력 공격자 시나리오(I)와 비협력 공격자 시나리오(II)에 대해 비밀 유지 성능 확률(SOP), 엄격히 양의 비밀 채널 용량 확률(SPSC), 효과적 비밀 전송 속도(EST)에 대한 폐쇄형 수식을 유도한다.
• 불완전한 채널 상태 정보 하에서 통계적 채널 모델과 모멘트 생성 함수(MGF) 기반 기법을 사용하여 분석 수식을 도출한다.
• 다양한 채널 조건과 시스템 파rameter에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 모든 분석 결과를 검증한다.
• 다양성, 비콘 전력 등 다양한 시스템 구성과 이중 검출 기법(Heterodyne) 대비 강도 조절 및 직접 검출(IM/DD)의 영향을 비교한다.

Figure 1: Proposed System Model for Energy Harvesting Relay-based Mixed UOWC-RF Network with Multiple Eavesdroppers.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확 기반 UOWC-RF 혼합 네트워크에서, 공격자가 협력하는지 여부에 따라 비밀 유지 성능 확률은 어떻게 달라지나?
• RQ2 UOWC 난류와 포인터 오차는 엄격히 양의 비밀 채널 용량을 달성할 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 RF 링크의 페이딩 파rameter(κ, μ, m)는 효과적 비밀 전송 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 강도 조절 및 직접 검출(IM/DD) 대비 이중 검출 기법이 비밀 보안 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 목적지 및 전력 비콘 노드에서의 다양성 복합 기법이 공격자 협력의 악영향을 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 공격자가 협력하는 경우 비협력 시나리오에 비해 훨씬 열 劣한 비밀 보안 성능을 보이며, 공격자가 협력적으로 디코딩하기 때문에 EST 값이 낮아진다.
• 리피터-목적지 및 리피터-가로채기자 링크의 κ 및 μ 파rameter 증가 시 비밀 채널 용량이 양수일 확률(SPSC)이 향상되며, 이는 리피터 링크에서의 페이딩 심화도가 높을수록 보안성이 향상됨을 시사한다.
• 이중 검출 기법은 특히 높은 포인터 오차 및 난류 조건에서 IM/DD 대비 더 높은 효과적 비밀 전송 속도를 달성한다.
• 리피터의 에너지 변환 효율(ηr) 증가 시 비밀 유지 성능 확률(SOP)이 크게 향상되며, 이는 더 많은 에너지 수확이 더 신뢰성 높은 전송을 가능하게 함을 보여준다.
• 목적지 및 전력 비콘 노드에서 다양성 복합 기법을 적용하면 비밀 보안 성능이 크게 향상되며, 특히 높은 가로채기 공격 상황에서 두드러진다.
• 시스템의 비밀 보안 성능는 열 劣한 홉에 의해 결정되며, 난류와 포인터 오차로 인해 소스-리피터(UOWC) 링크가 가장 심각한 병목 현상에 해당한다.

Figure 2: The $\text{SOP}^{I}$ versus $\Phi_{sr}$ for selected values of $h$ , $l$ , and $\epsilon$ with $\xi=0.8$ , $G_{d}=G_{b}=G_{e}=2$ , $\kappa_{d}=\kappa_{b}=\kappa_{e}=1$ , $\mu_{d}=\mu_{b}=\mu_{e}=1$ , $m_{d}=m_{b}=m_{e}=2$ , $\eta_{r}=0.7$ , $\mathcal{E}_{I}=1$ , $P_{b}=20$ dB, $\Phi_{rd}=1