[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种通用框架，用于分析在大气湍流下采用开关键控（OOK）调制和阈值检测的自由空间光（FSO）通信系统的平均保密容量。基于误码率推导出瞬时保密容量的下界，并建立了平均保密容量的一般表达式，表明当鲍勃的信道显著优于埃芙的信道时，湍流会降低保密性；但当埃芙的信道更强时，湍流反而能增强保密性。

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.

研究动机与目标

• 为解决自由空间光（FSO）通信因无线介质开放和光束扩展导致的安全漏洞。
• 量化采用强度调制开关键控（OOK）和阈值检测的FSO系统在大气湍流下的平均保密容量。
• 基于误码率推导瞬时保密容量的下界，以支持实际系统设计。
• 推导平均保密容量的一般表达式，并分析其在相关对数正态衰落下的行为。
• 研究湍流强度和信道相关性在真实FSO场景中对保密容量的影响。

提出的方法

• 定义在给定衰落状态下采用OOK调制和阈值检测的FSO系统的瞬时保密容量。
• 通过优化窃听者检测阈值，推导瞬时保密容量的下界，表明当阈值位于'0'和'1'符号期望输出的中点时，该下界达到最大值。
• 利用鲍勃和埃芙处的误码率，表达平均保密容量及其下界的通用形式。
• 将通用表达式特化为相关对数正态衰落模型，以进行数值评估。
• 采用数值分析评估衰落、湍流强度和信道相关性对保密容量的影响。
• 应用信息论工具，包括互信息和误差函数近似，以建模衰落下的信道行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气湍流如何影响基于OOK的FSO系统中的平均保密容量？
• RQ2 鲍勃与埃芙之间信道的相关性对保密容量有何影响？
• RQ3 在何种条件下湍流会提升或降低保密容量？
• RQ4 当鲍勃的信道显著优于埃芙的信道时，保密容量如何表现？
• RQ5 能否基于误码率推导出瞬时保密容量的下界，以支持实际系统设计？

主要发现

• 当鲍勃的平均信噪比远高于埃芙时（例如10 dB），湍流引起的衰落对保密容量具有负面影响，即平均保密容量的下界随湍流强度增加而降低。
• 当鲍勃的信道不显著优于埃芙时，湍流反而能增强保密容量，表明湍流与安全性之间存在非单调关系。
• 鲍勃与埃芙之间的信道相关性始终对保密容量不利，与射频无线系统中的发现一致。
• 所推导的瞬时保密容量下界在窃听者检测阈值设置为'0'和'1'符号期望信号电平之和的一半时达到。
• 数值结果表明，对于弱湍流（对数正态衰落），当湍流方差增大时，平均保密容量下降，尤其在鲍勃的信噪比较高时更为明显。
• 平均保密容量的一般表达式可支持在各种湍流和相关性条件下进行性能评估，有助于在真实FSO信道模型下进行系统设计。