[论文解读] On Secure Mixed RF-FSO Systems With TAS and Imperfect CSI

Hongjiang Lei, Haolun Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 40被引用 4

一句话总结

本文研究了在存在多天线窃听者和信道状态信息（CSI）不完善情况下的混合射频-自由空间光（RF-FSO）双跳中继系统的物理层安全性能，提出四种发送波束成形选择（TAS）方案以提升保密性能。推导了在Nakagami-m和Málaga衰落信道下等效信噪比的PDF和CDF的闭式表达式，分析了信道老化RF-CSDI和不完善FSO-CSDI的影响，并建立了有效保密吞吐量的界限，结果表明信道老化显著降低保密性能，而增加发射天线带来的增益有限。

ABSTRACT

In this work, we analyze the secrecy outage performance of a dual-hop relay system composed of multiple-input-multiple-output radio-frequency (RF) links and a free-space optical (FSO) link while a multiple-antenna eavesdropper wiretaps the confidential information by decoding the received signals from the resource node. The channel state information (CSI) of the RF and FSO links is considered to be outdated. We propose three transmit antenna selection (TAS) schemes to enhance the secrecy performance of the considered systems. The secrecy outage performance with different TAS schemes is analyzed and the effects of misalignment and detection technology on the secrecy outage performance of mixed systems are studied. We derive the closed-form expressions for probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) over Málaga channel with imperfect CSI. Then the closed-form expressions for the CDF and PDF of the equivalent signal-to-noise ratio (SNR) at the legitimate receiver over Nakagami-$m$ and Málaga channels are derived. Furthermore, the lower bound of the secrecy outage probability (SOP) with different TAS schemes are derived. Besides, the asymptotic results for SOP are investigated by exploiting the unfolding of Meijer's $G$-function when the electrical SNR of FSO link approaches infinity. Finally, Monte-Carlo simulation results are presented to testify the correctness of the proposed analysis. The results illustrate that the outdated CSI shows a strong effect on the secrecy outage performance. In addition, increasing the number of antennas at the source cannot significantly enhance the secrecy performance of the considered systems.

研究动机与目标

• 分析在不完善和信道老化CSI条件下混合RF-FSO双跳中继系统的保密中断性能。
• 评估信道老化的RF-CSDI和不完善FSO-CSDI对物理层安全性能的影响。
• 设计并比较四种用于提升保密性能的发送波束成形选择（TAS）方案。
• 推导在Nakagami-m和Málaga衰落信道下合法接收机等效信噪比的PDF和CDF的闭式表达式。
• 建立有效保密吞吐量（EST）的界限，并研究FSO信噪比增大时的渐近行为。

提出的方法

• 推导了在存在不完善CSI的Nakagami-m和Málaga衰落信道下，合法接收机等效信噪比的概率密度函数（PDF）和累积分布函数（CDF）。
• 提出了四种TAS方案，以利用空间分集并提升在多天线窃听者存在下的保密性能。
• 采用统计信道模型，考虑RF链路的信道老化和FSO链路的不完善CSI，包含相关性和估计误差。
• 应用Meijer’s G函数及特殊函数恒等式（如修正贝塞尔函数）推导信噪比统计特性的闭式表达式。
• 推导有效保密吞吐量（EST）的界限，并通过Meijer’s G函数的级数展开研究其渐近行为。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了分析结果的准确性，在多种系统配置下均表现一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 信道老化的RF链路如何影响混合RF-FSO系统中的保密中断性能？
• RQ2 FSO链路的不完善CSI对整体保密性能有何影响？
• RQ3 在不完善CSI条件下，不同发送波束成形选择（TAS）方案在提升保密吞吐量方面的表现如何比较？
• RQ4 在Nakagami-m和Málaga衰落信道下，合法接收机等效信噪比的PDF和CDF的闭式表达式是什么？
• RQ5 当FSO链路的电域信噪比趋于无穷大时，有效保密吞吐量的渐近行为如何？

主要发现

• 信道老化的RF链路对保密中断性能有显著负面影响，严重降低系统安全性。
• FSO链路的不完善CSI进一步恶化保密性能，尤其当窃听者靠近发射机或接收机时更为明显。
• 增加源端发射天线数量无法显著提升保密性能，因信道老化效应占主导地位。
• 所提出的TAS方案能有效改善保密性能，且已推导出有效保密吞吐量（EST）的闭式界限。
• 当FSO链路的电域信噪比增大时，EST的渐近行为由Meijer’s G函数的展开特性决定，揭示了高信噪比下的性能特征。
• 蒙特卡洛仿真验证了在各种信道条件下，PDF、CDF及EST界限的分析表达式的准确性。