[论文解读] End-to-End Secure Connection Probability in MultiLayer Networks with Heterogeneous Rician Fading

Hyeonsu Lyu, Yumin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2026

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一句话总结

本文推导出多跳、跨层的非地球轨道网络（NTN）在异质Rician衰落下的端到端安全连接概率（SCP）的闭式表达，并与蒙特卡洛仿真进行验证。

ABSTRACT

Ensuring physical-layer security in non-terrestrial networks (NTNs) is challenging due to their global coverage and multi-hop relaying across heterogeneous network layers, where the locations and channels of potential eavesdroppers are typically unknown. In this work, we derive a tractable closedform expression of the end-to-end secure connection probability (SCP) of multi-hop relay routes under heterogeneous Rician fading. The resulting formula shares the same functional form as prior Rayleigh-based approximations but for the coefficients, thereby providing analytical support for the effectiveness of heuristic posterior coefficient calibration adopted in prior work. Numerical experiments under various conditions show that the proposed scheme estimates the SCP with an 1%p error in most cases; and doubles the accuracy compared with the conventional scheme even in the worst case. As a case study, we apply the proposed framework to real-world space-air-groundsea integrated network dataset, showing that the derived SCP accurately captures observed security trends in practical settings.

研究动机与目标

• 在跨太空、空中、地面和海洋层级的多跳中，为全球尺度的NTN提出物理层安全（PLS）的动机。
• 在异质Rician衰落下推导可处理的闭式SCP表达式，而不依赖对未知监听者的后验标定。
• 通过揭示系数结构，为先前基于Rayleigh的工作中的直觉标定提供理论支持。
• 通过与蒙特卡洛仿真和真实 SAGIN 数据集的对比，验证SCP公式的准确性与实际相关性。）
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提出的方法

• 对具有解码转发（decode-and-forward）中继的多层NTN进行建模，并在每一层假设eavesdropper服从HP泊松点过程分布。
• 把端到端SCP表示为各层SCP的乘积，每一层的SCP通过伽马分布近似的非中心卡方变量和的闭式表达来得到。
• 通过矩量匹配将非中心卡方项的和近似为伽马分布（参数为m_l, theta_l）。
• 使用Marcum Q函数的方法处理最小合法SNR与最大监听者SNR，给出对Q函数乘积的可处理替代形式。
• 得到最终的SCP表达式：P = exp[- sum_l kappa_l ( sum_i (K_i+1) (d_i^s)^{alpha_l} )^{2/alpha_l} ].
• 通过蒙特卡洛仿真与SAGIN真实数据测试平台验证，展示在不同Rician K因子、Eve密度和跳数下的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在异质Rician 衰落下，给出多层NTN端到端SCP的闭式表达？
• RQ2 在不同的K因子、Eve密度和网络拓扑下，所提SCP表达式与蒙特卡洛仿真相比的准确性如何？
• RQ3 异质Rician模型是否比基于Rayleigh的模型更适合用于多跳NTN SCP分析？
• RQ4 分析框架能否解释或证明前人工作的直觉标定？
• RQ5 在真实世界SAGIN数据集中，SCP在空间-空中-地面-海洋层中的表现如何？

主要发现

• 为跨多层NTN的异质Rician信道推导出闭式SCP表达式。
• SCP公式在多数情形下与蒙特卡洛仿真误差约为1%，且在Rician K因子增加时优于基于Rayleigh的方案。
• 该框架通过显示相同的函数形式但系数不同，为前期工作中的后验标定提供理论基础。
• 在真实SAGIN数据集上的验证表明，SCP能准确捕捉实际场景中的安全趋势。
• 在高SCP区间（P ≥ 90%）仍保持较高准确性，平均绝对误差约0.034，相较最佳Rayleigh基线提升约4.5倍。