[논문 리뷰] Secrecy Outage Analysis of Two-Hop Decode-and-Forward Mixed RF/UWOC Systems

Yi Lou, Ruofan Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 01.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이변량 H-함수를 통해 유도된 정확한 및 점점 가까운 폐쇄형 표현을 사용하여, 두 홉 디코딩 앤 포워딩 혼합 RF/UWOC 시스템에서 비밀성 외상 확률(SOP)을 분석한다. 고신호대역비(SNR)에서 SOP가 포화 상태에 도달함을 밝혀내며, 이는 EGG 및 α-μ 분포로 각각 모델링된 다양한 UWOC 및 RF 채널 조건 하에서 에너지 효율성과 보안성을 균형 잡는 최적의 전력 할당이 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

We analyze the secrecy performance of a two-hop mixed radio frequency (RF)/underwater wireless optical communication (UWOC) system using a decode-and-forward (DF) relay. All RF and UWOC links are modeled by the $α-μ$ and exponential-generalized Gamma distributions, respectively. We first derive the expressions of the secrecy outage probability (SOP) in exact closed-form, which are subsequently used to derive asymptotic expressions at high SNR that only includes simple functions for further insight. Moreover, based on the asymptotic expression, we can determine the optimal transmit power for a wide variety of RF and UWOC channel conditions. All analyses are validated using Monte Carlo simulation.

연구 동기 및 목표

• 두 홉 혼합 RF/UWOC 시스템에 대한 물리계층 비밀성 성능을 분석하기 위해.
• 유연한 α-μ 분포를 사용하여 RF 링크를 모델링하고, 더 정확한 지수-일반화 감마(EGG) 분포를 사용하여 UWOC 링크를 모델링하기 위해.
• 성능 분석과 최적의 전력 제어를 가능하게 하기 위해 정확한 및 점점 가까운 비밀성 외상 확률(SOP) 표현을 유도하기 위해.
• 다양한 채널 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 비선형성과 다중 경로 군집을 매개변수 α 및 μ로 반영하는 바, 소스-리레이(서) 및 스파이-리레이(SE) RF 링크를 α-μ 분포로 모델링하기 위해.
• freshwater 및 saltwater 내의 온도 기울기와 기포 효과를 고려하기 위해 리레이-수신기(RD) UWOC 링크를 EGG 분포로 모델링하기 위해.
• 이변량 H-함수를 사용하여 폐쇄형으로 정확한 SOP를 유도하여 다양한 fading 조건 하에서 정밀한 성능 평가를 가능하게 하기 위해.
• 간단한 함수를 사용하여 고신호대역비(SNR)에서 점점 가까운 SOP 표현을 유도하여 시스템의 거동 및 포화 경향을 밝혀내기 위해.
• 점점 가까운 표현을 사용하여 SOP를 최소화하면서 에너지 효율성을 유지하는 최적의 전송 전력을 결정하기 위해.
• 다양한 채널 매개변수 하에서 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 모든 분석 결과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 fading 모델 하에서 디코딩 앤 포워딩 리레이를 갖는 두 홉 혼합 RF/UWOC 시스템에서 비밀성 외상 확률(SOP)은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 기포 농도 및 온도 기울기와 같은 UWOC 채널 매개변수는 SOP 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 RF 채널 매개변수(α 및 μ)는 고신호대역비(SNR)에서 SOP의 비밀성 성능과 포화 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 시스템 설계를 단순화하고 최적의 전력 할당 전략을 드러내는 점점 가까운 SOP 표현을 유도할 수 있는가?
• RQ5 채널 품질에 기반하여 SOP를 최소화하면서 에너지 효율성을 확보하기 위한 최적의 전송 전력은 무엇인가?

주요 결과

• SOP 표현이 고신호대역비(SNR)에서 포화 상태에 도달함을 확인하여, 추가적인 전력 증가에도 불구하고 비밀성 성능에 기본적인 한계가 있음을 시사한다.
• SOP의 포화 값은 스파이 RF 채널과 UWOC 채널의 품질에 의해 결정되며, 더 나은 UWOC 링크는 SOP를 감소시킨다.
• UWOC 채널 품질이 향상될 경우(예: [2.4, 0.05]에서 [4.7, 0.05]로), SOP는 크게 감소하여 시스템의 비밀성 성능이 향상된다.
• UWOC 매개변수 [4.7, 0.05]일 경우 최적의 전송 전력은 10 dB이며, 이때 SOP는 0.45에 도달하며, 이를 초과한 전력 증가는 추가적인 이득을 주지 않는다.
• 점점 가까운 SOP 표현은 0 dB SNR부터 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치하여 정확하고 효율적인 시스템 설계를 가능하게 한다.
• 스파이 채널 품질이 SOP 포화 수준에 반비례하여 영향을 미치며, 더 나은 스파이 링크는 더 높은 SOP 포화 값을 초래한다.