[論文レビュー] Average Secrecy Capacity of Free-Space Optical Communication Systems with On-Off Keying Modulation and Threshold Detection

Jinxiao Zhu, Chen Yin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2016

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、大気乱流下における自由空間光（FSO）通信システムの平均秘匿容量を分析する一般化されたフレームワークを提案する。OOK変復調およびしきい値検出を用いる場合に、瞬時秘匿容量の下界をビット誤り確率に基づいて導出し、平均秘匿容量の一般式を確立する。その結果、ボブのチャネルがイブのチャネルよりも著しく良好な場合、乱流は秘匿性を低下させるが、イブのチャネルが強い場合には秘匿性を向上させることがあることが示された。

ABSTRACT

This paper considers secure communication over free-space optical (FSO) links suffering from turbulence-induced fading. In particular, we study the average secrecy capacity of applying physical layer security to achieve security in an FSO communication system with binary-level on-off keying intensity modulation and threshold detection, a widely used system in FSO communication. We first define the instantaneous secrecy capacity for our system and then provide a lower bound of it, which is achieved based on a simple design principle for practical applications and yields a simpler equation. We next derive a general expression of the average secrecy capacity and the corresponding lower bound based on bit error probabilities. Finally, numerical analysis is conducted for the special case of the correlated log-normal fading model to show the impacts of fading and channel correlation on the average secrecy capacity.

研究の動機と目的

• 自由空間光（FSO）通信におけるオープンな無線媒質およびビーム拡散によるセキュリティ脆弱性に対処すること。
• 大気乱流下でオンオフキーイング（OOK）強度変復調およびしきい値検出を用いるFSOシステムの平均秘匿容量を定量化すること。
• 実用的システム設計を目的として、ビット誤り確率に基づく瞬時秘匿容量の下界を導出すること。
• 一般化された平均秘匿容量の式を構築し、相関のある対数正規フェージング下でのその挙動を分析すること。
• 現実的なFSO環境における乱流の強さおよびチャネル相関が秘匿容量に与える影響を調査すること。

提案手法

• 与えられたフェージング状態下で、OOK変復調およびしきい値検出を用いるFSOシステムの瞬時秘匿容量を定義する。
• 盗聴者（イブ）の検出しきい値を最適化することで、瞬時秘匿容量の下界を導出し、その値が『0』および『1』シンボルの期待出力の中央に位置するとき最大になると示す。
• ボブおよびイブにおけるビット誤り確率を用いて、平均秘匿容量の一般形およびその下界を表現する。
• 数値的評価のため、一般式を相関のある対数正規フェージングモデルに特化する。
• フェージング、乱流の強さ、チャネル相関の影響を秘匿容量に与える影響を数値解析により評価する。
• 相互情報量および誤差関数の近似を用いた情報理論的ツールを、フェージング下でのチャネル行動のモデル化に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気乱流は、OOKベースのFSOシステムにおける平均秘匿容量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ボブとイブの間のチャネル相関は秘匿容量にどのような影響を与えるか？
• RQ3 どのような条件下で乱流が秘匿性を向上または低下させるか？
• RQ4 ボブのチャネルがイブのチャネルよりも著しく良好な場合、秘匿容量はどのように振る舞うか？
• RQ5 実用的システム設計を目的として、ビット誤り確率を用いて瞬時秘匿容量の下界を導出できるか？

主な発見

• ボブの平均SNRがイブのそれよりも著しく高い場合（例：10 dB）、乱流に起因するフェージングは平均秘匿容量に悪影響を及ぼし、その下界は乱流の強度が増加するにつれて減少する。
• ボブのチャネルがイブのチャネルと著しく優れている状況でない場合、乱流は実際に秘匿容量を向上させることがある。これは、乱流とセキュリティの間に非単調な関係があることを示唆している。
• ボブとイブの間のチャネル相関は、常に秘匿容量に悪影響を及ぼす。これは、RF無線システムにおける報告と整合的である。
• 導出された瞬時秘匿容量の下界は、盗聴者の検出しきい値が『0』および『1』シンボルの期待信号レベルの和の半分に設定されたときに達成される。
• 数値結果から、弱い乱流（対数正規フェージング）下では、乱流の分散が増加するにつれて平均秘匿容量が減少することが示された。特にボブのSNRが高い場合に顕著である。
• 平均秘匿容量の一般式により、さまざまな乱流および相関条件における性能評価が可能となり、現実的なFSOチャネルモデル下でのシステム設計を支援する。