[论文解读] Physical Layer Security of Terahertz and Infrared Wireless Links in Atmospheric Turbulence

Yu Mei, Xiao Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用 2

一句话总结

本文研究了在大气湍流条件下太赫兹（THz）和红外（1550 nm）无线链路的物理层安全性能，建模了湍流引起的衰减、气体吸收和光束扩展的影响。结果表明，与红外链路相比，太赫兹链路在湍流大气条件下具有更高的保密容量和更低的中断概率，显示出更优的物理层安全性能。

ABSTRACT

The future applications of terahertz (THz) wireless communication require investigations on link secrecy performance in all kinds of atmospheric conditions, including fog, snow, rain and atmospheric turbulence. Here, we present theoretical studies on physical layer security of point-to-point THz and infrared (IR) wireless links in atmospheric turbulence with a potential eavesdropper outside of the link path. Attenuations due to turbulence, gaseous absorption and beam divergence are included in the model to predict the propagation of both links. Secrecy capacity and outage probability of the THz links are calculated and compared with that of an IR (1550 nm) link. Dependences of link security on eavesdropper's position, atmospheric visibility, turbulence strength and intended data transmission rate are also presented and analyzed. We find that the THz link owns higher security at physical layer than the IR link.

研究动机与目标

• 分析在大气湍流条件下太赫兹（THz）和红外（IR）无线链路的物理层保密性能。
• 评估大气条件（如能见度、湍流强度和窃听者位置）对链路安全的影响。
• 在真实的传播环境中，比较太赫兹与红外（1550 nm）链路的保密容量和中断概率。
• 确定太赫兹链路在物理层安全方面优于红外链路的条件。

提出的方法

• 采用结合了大气湍流、气体吸收和光束扩展的联合衰减模型，对太赫兹和红外链路的信号传播进行建模。
• 采用随机信道模型，以表征大气湍流对信号衰落的统计影响。
• 基于主链路容量与窃听者信道容量之差，计算保密容量。
• 推导中断概率，即在不同湍流和能见度条件下，保密容量低于目标速率的概率。
• 通过仿真比较不同窃听者位置相对于主链路路径时的性能指标。
• 使用解析表达式量化安全性能指标对传输速率、大气能见度和湍流强度的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气湍流如何影响太赫兹和红外无线链路的保密容量？
• RQ2 窃听者位置对太赫兹和红外链路的物理层安全性能有何影响？
• RQ3 大气能见度和湍流强度的变化如何影响保密中断概率？
• RQ4 目标数据传输速率如何影响太赫兹和红外链路的安全性能？
• RQ5 在何种条件下，太赫兹链路相比红外链路能提供更优的物理层安全性能？

主要发现

• 在相同大气条件下，太赫兹链路的保密容量高于红外（1550 nm）链路，表明其具有更优的物理层安全性能。
• 与红外链路相比，太赫兹链路的保密中断概率更低，尤其在中等至强湍流条件下更为显著。
• 窃听者位置对安全性有显著影响，当窃听者远离主链路路径时，保密性能达到最高。
• 随着大气能见度降低，两条链路的保密容量均下降，但太赫兹链路仍保持相对于红外链路的性能优势。
• 更高的数据传输速率会增加两条链路的保密中断概率，但太赫兹链路在高速传输条件下仍表现出更强的鲁棒性。
• 湍流强度对红外链路的负面影响强于太赫兹链路，这进一步增强了太赫兹链路在高湍流环境下的安全优势。