[论文解读] Physical-Layer Security for Two-Hop Air-to-Underwater Communication Systems With Fixed-Gain Amplify-and-Forward Relaying

Yi Lou, Ruofan Sun+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用 8

一句话总结

本文针对采用固定增益放大转发中继的两跳无线射频-水下无线光通信（RF-UWOC）系统，提出了一项物理层安全分析。该研究采用统一的混合指数-广义伽马分布建模水下无线光信道，采用灵活的 α−µ 分布建模射频（RF）信道。主要贡献在于利用双变量 Fox's H-函数，推导出保密中断概率（SOP）和非零保密容量概率（PNZ）的闭式表达式，并进一步获得渐近表达式，从而实现对实际信道条件（如气泡、温度梯度和多径簇）下的能效优化与性能分析。

ABSTRACT

We analyze a secure two-hop mixed radio frequency (RF) and underwater wireless optical communication (UWOC) system using a fixed-gain amplify-and-forward (AF) relay. The UWOC channel is modeled using a unified mixture exponential-generalized Gamma distribution to consider the combined effects of air bubbles and temperature gradients on transmission characteristics. Both legitimate and eavesdropping RF channels are modeled using flexible $α-μ$ distributions. Specifically, we first derive both the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-noise ratio (SNR) of the mixed RF and UWOC system. Based on the PDF and CDF expressions, we derive the closed-form expressions for the tight lower bound of the secrecy outage probability (SOP) and the probability of non-zero secrecy capacity (PNZ), which are both expressed in terms bivariate Fox's $H$-function. To utilize these analytical expressions, we derive asymptotic expressions of SOP and PNZ using only elementary functions. Also, we use asymptotic expressions to determine the optimal transmitting power to maximize energy efficiency. Further, we thoroughly investigate the effect of levels of air bubbles and temperature gradients in the UWOC channel, and study nonlinear characteristics of the transmission medium and the number of multipath clusters of the RF channel on the secrecy performance. Finally, all analyses are validated using Monte Carlo simulation.

研究动机与目标

• 为解决水下物联网网络中高数据率、长距离水下通信的安全挑战。
• 分析采用固定增益放大转发（AF）中继的两跳混合射频（RF）与水下无线光通信（UWOC）系统的保密性能。
• 通过统一的混合指数-广义伽马分布，准确建模包含气泡与温度梯度影响的UWOC信道。
• 采用灵活的 α−µ 分布对RF信道进行建模，以捕捉多径簇集与衰落深度的特性。
• 推导保密中断概率（SOP）与非零保密容量概率（PNZ）的闭式表达式，以支持性能评估与优化。

提出的方法

• 采用两跳混合RF-UWOC系统并结合固定增益AF中继，以扩展通信距离并提升数据速率。
• 采用统一的混合指数-广义伽马分布对UWOC信道进行建模，以捕捉气泡与温度梯度的联合影响。
• 采用 α−µ 分布对合法用户与窃听者的RF信道进行建模，实现对多径衰落与簇集特性的灵活刻画。
• 利用广义特殊函数，推导出端到端信噪比（SNR）的概率密度函数（PDF）与累积分布函数（CDF）的精确闭式表达式。
• 基于双变量 Fox's H-函数，推导出SOP与PNZ的闭式表达式，以实现精确的保密性能评估。
• 通过初等函数构建渐近表达式，支持能效优化与系统设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 UWOC信道中气泡与温度梯度的联合影响如何影响两跳系统的保密性能？
• RQ2 通过 α−µ 分布建模的RF信道中多径簇集与衰落深度，对保密中断概率与非零保密容量有何影响？
• RQ3 在采用固定增益AF中继的混合RF-UWOC系统中，保密中断概率与非零保密容量概率如何实现解析表达？
• RQ4 SOP与PNZ在高信噪比（SNR）区域的渐近行为是什么？这些行为如何用于能效优化？
• RQ5 在实际UWOC与RF信道条件下，发射功率与信道统计等系统参数如何影响保密性能？

主要发现

• 本文利用双变量 Fox's H-函数，推导出SOP与PNZ的闭式表达式，实现了对混合RF-UWOC系统中保密性能的精确评估。
• 通过初等函数推导出SOP与PNZ的渐近表达式，支持性能分析与能效优化。
• 基于渐近表达式，确定了最大化能效的最优发射功率，揭示了保密速率与功耗之间的权衡关系。
• 气泡密度增加与温度梯度增强会劣化保密性能，尤其在高移动性或湍流UWOC环境中影响更显著。
• RF信道中多径簇集数量增加（通过 α−µ 模型）会降低保密性能，尤其在深度衰落区域更为明显。
• 蒙特卡洛仿真验证了理论推导的准确性，表明闭式表达式与渐近表达式在各种信道条件下均具有高度一致性。