रिले-सहायता प्राप्त सुरक्षित प्रसारण दृश्यमान प्रकाश संचार के लिए: विश्लेषण और ढांचा

1. सामग्री संरचना और विश्लेषण

1.1. सामग्री सूची

• 2. प्रस्तावना एवं अवलोकन
• 3. सिस्टम मॉडल और समस्या विवरण
• 3.1. चैनल मॉडल और धारणाएँ
• 3.2. आयाम बाधा और सिग्नल प्रसंस्करण
• 4. प्रस्तावित रिले योजना
• 4.1. सहयोगी व्यवधान
• 4.2. डिकोड-एंड-फॉरवर्ड
• 4.3. एम्प्लिफाई-एंड-फॉरवर्ड
• 4.4. सिक्योर बीमफॉर्मिंग डिज़ाइन
• 5. अचीवेबल सिक्योर रेट रीजन
• 6. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन मूल्यांकन
• 7. मुख्य अंतर्दृष्टि और सारांश
• 8. मूल विश्लेषण: मुख्य अंतर्दृष्टि और समीक्षा
• 9. तकनीकी विवरण और गणितीय ढांचा
• 10. विश्लेषणात्मक ढांचा: उदाहरण केस स्टडी
• 11. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध संभावनाएं
• 12. संदर्भ सूची

2. प्रस्तावना एवं अवलोकन

यह कार्य दृश्यमान प्रकाश संचार प्रणालियों में प्रसारण संचार सुरक्षा की महत्वपूर्ण चुनौती को हल करने का लक्ष्य रखता है। VLC डेटा संचारण के लिए LED प्रकाश व्यवस्था का उपयोग करता है, जो इनडोर उच्च-गति नेटवर्किंग के लिए एक आशाजनक समाधान है, लेकिन इसकी अंतर्निहित प्रसारण प्रकृति इसे ईव्सड्रॉपिंग के प्रति संवेदनशील बनाती है। यह पत्र एकल-इनपुट एकल-आउटपुट प्रसारण परिदृश्य में, दो वैध उपयोगकर्ताओं के लिए, बाहरी ईव्सड्रॉपर के विरुद्ध भौतिक परत सुरक्षा को बढ़ाने हेतु कई विश्वसनीय, सहयोगी अर्ध-डुप्लेक्स रिले नोड्स का उपयोग करने वाले एक नवीन ढांचे का प्रस्ताव करता है।

मुख्य नवाचार तीन शास्त्रीय रिले रणनीतियों - सहयोगी जैमिंग, डिकोड-एंड-फॉरवर्ड और एम्प्लिफाई-एंड-फॉरवर्ड - को रिले नोड्स पर सावधानीपूर्वक डिज़ाइन की गई सुरक्षित बीमफॉर्मिंग तकनीक के साथ एकीकृत करने में निहित है। सभी संचरण LED की गतिशील सीमा के अनुरूप होने के लिए आयाम बाधा के अधीन हैं, और समान सिग्नल प्रसंस्करण के साथ सुपरपोज़िशन कोडिंग का उपयोग किया जाता है। प्राप्त करने योग्य सुरक्षित दर क्षेत्र का विश्लेषणात्मक रूप से व्युत्पन्न किया गया है, और यह प्रदर्शित किया गया है कि रिले-सहायता प्राप्त योजना प्रत्यक्ष संचरण पर श्रेष्ठता रखती है, जिसका प्रदर्शन काफी हद तक ईव्सड्रॉपर के स्थान, रिले की संख्या और नेटवर्क ज्यामिति पर निर्भर करता है।

3. सिस्टम मॉडल और समस्या विवरण

3.1. चैनल मॉडल और धारणाएँ

सिस्टम में एक ट्रांसमिटिंग ल्यूमिनेयर, दो वैध रिसीवर, एक बाहरी ईव्सड्रॉपर और N विश्वसनीय रिले ल्यूमिनेयर शामिल हैं। सभी नोड्स एकल ल्यूमिनेयर (एकाधिक एलईडी) या एकल फोटोडिटेक्टर से सुसज्जित हैं, जो प्रत्येक लिंक पर SISO सिस्टम का गठन करते हैं। VLC चैनल मॉडलिंग में लाइन-ऑफ-साइट और डिफ्यूज घटकों को ध्यान में रखा गया है। रिले अर्ध-डुप्लेक्स मोड में कार्य करते हैं। एक महत्वपूर्ण धारणा यह है कि सभी वैध नोड्स से जुड़े लिंक्स की चैनल स्टेट इनफॉर्मेशन ज्ञात है; ईव्सड्रॉपर का चैनल आंशिक रूप से ज्ञात या अज्ञात हो सकता है, जो बीमफॉर्मिंग डिज़ाइन को प्रभावित करता है।

3.2. आयाम बाधा और सिग्नल प्रसंस्करण

प्रेषित सिग्नल आयाम बाधा के अधीन है, अर्थात $X \in [-A, A]$, यह सुनिश्चित करने के लिए कि LED अपने रैखिक गतिशील रेंज में कार्य करे और प्रकाश आवश्यकताओं को पूरा करे। सुपरपोजिशन कोडिंग के लिए, इस अंतराल पर इनपुट वितरण एकसमान है। ईव्सड्रॉपर के सापेक्ष उपयोगकर्ता $k$ की सुरक्षा दर को $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$ के रूप में परिभाषित किया गया है, जहां $I(\cdot;\cdot)$ पारस्परिक सूचना है, $Y_k$ वैध रिसीवर $k$ पर सिग्नल है, और $Z$ ईव्सड्रॉपर पर सिग्नल है। लक्ष्य एक साथ प्राप्त करने योग्य $(R_{s,1}, R_{s,2})$ क्षेत्र को चित्रित करना है।

4. प्रस्तावित रिले योजना

4.1. सहयोगी व्यवधान

रिले कृत्रिम शोर (व्यवधान संकेत) प्रसारित करता है, जिसका उद्देश्य ईव्सड्रॉपर के चैनल को बिगाड़ना है, जबकि वैध रिसीवर को न्यूनतम व्यवधान पहुँचाना है। यह नल-स्टीयरिंग बीमफॉर्मिंग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, अर्थात् व्यवधान संकेत को वैध चैनल के नल स्थान पर प्रक्षेपित करना, या सुरक्षा दर को अधिकतम करने के लिए बीमफॉर्मिंग वेक्टर का अनुकूलन करके।

4.2. डिकोड-एंड-फॉरवर्ड

रिले स्रोत संदेश को डिकोड करता है और अग्रेषित करने से पहले उसे पुनः एन्कोड करता है। सूचना के रिसाव को रोकने के लिए, इस योजना के लिए आवश्यक है कि रिले से ईव्सड्रॉपर का लिंक, रिले से वैध उपयोगकर्ता के लिंक से कमजोर हो। रिले द्वारा अग्रेषित सिग्नल संरचना को नियंत्रित करने की क्षमता का उपयोग करके सुरक्षा प्राप्त की जाती है।

4.3. एम्प्लिफाई-एंड-फॉरवर्ड

रिले केवल प्राप्त सिग्नल को बढ़ाता है और आगे भेजता है, डिकोड करने की आवश्यकता नहीं है। यह सरल है, लेकिन शोर को भी बढ़ाता है। इस योजना में, सुरक्षित बीमफॉर्मिंग महत्वपूर्ण है, जिसके लिए प्रवर्धित सिग्नल को भारित करने की आवश्यकता होती है ताकि वह वैध रिसीवर के लिए ईव्सड्रॉपर की तुलना में अधिक लाभकारी हो।

4.4. सिक्योर बीमफॉर्मिंग डिज़ाइन

सभी योजनाओं के लिए, रिले $i$ पर बीमफॉर्मिंग वेक्टर $\mathbf{w}_i$ निम्नलिखित रूप के अनुकूलन समस्या को हल करने के लिए है:

5. अचीवेबल सिक्योर रेट रीजन

इस पत्र ने आयाम बाधा के तहत प्रत्येक योजना के लिए सुरक्षा क्षमता क्षेत्र की आंतरिक सीमा (प्राप्य क्षेत्र) प्राप्त की। DF के लिए, यह क्षेत्र गोपनीय संदेशों और सहकारी रिले के साथ प्रसारण चैनल पर आधारित है। CJ और AF के लिए, ये क्षेत्र जटिल अभिव्यक्तियों को शामिल करते हैं जो रिले संचालन के प्रसारण और बहु-पहुंच चरणों के पारस्परिक सूचना पदों को जोड़ते हैं। एक प्रमुख निष्कर्ष यह है कि ये क्षेत्र प्रत्यक्ष संचरण के क्षेत्र से सख्ती से बड़े हैं, जो रिले के मूल्य की पुष्टि करता है।

6. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन मूल्यांकन

संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से प्राप्त सुरक्षित दर क्षेत्रों का उपयोग करके प्रदर्शन का मूल्यांकन किया गया। प्रस्तुत प्रमुख अवलोकन (सार और परिचय से अनुमानित):

• प्रत्यक्ष संचरण से बेहतर: सभी सुरक्षित बीमफॉर्मिंग-सहायक रिले योजनाएँ प्रत्यक्ष संचरण से बेहतर हैं, जो प्राप्त करने योग्य सुरक्षित दर क्षेत्र का काफी विस्तार करती हैं।
• योजना निर्भरता: कोई भी एक योजना सभी स्थितियों में बेहतर नहीं है। सर्वोत्तम योजना निर्भर करती है:
  • ईव्सड्रॉपर की स्थिति: जब ईव्सड्रॉपर रिले के पास हो लेकिन वैध उपयोगकर्ता से दूर हो, तो CJ बहुत प्रभावी होता है। जब ईव्सड्रॉपर स्रोत नोड के पास हो, तो DF/AF बेहतर हो सकते हैं।
  • रिले की संख्या: बीमफॉर्मिंग की स्वतंत्रता में वृद्धि के कारण, प्रदर्शन रिले की संख्या बढ़ने के साथ सुधरता है।
  • ज्यामितीय लेआउट: ट्रांसमीटर, उपयोगकर्ताओं और ईव्सड्रॉपर्स के सापेक्ष रिले का स्थानिक वितरण बीमफॉर्मिंग लाभ और हस्तक्षेप प्रबंधन क्षमता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है।
• Trade-offs: CJ संभवतः व्यवधान के लिए कुछ शक्ति का बलिदान कर सकता है, जिससे वैध उपयोगकर्ताओं की दर कम हो सकती है। DF रिले पर सफल डिकोडिंग की मांग करता है, जो पहली छलांग पर एक दर बाध्यता लगाता है। AF सरल है लेकिन शोर प्रवर्धन से प्रभावित होता है।

7. मुख्य अंतर्दृष्टि और सारांश

• रिले एक सुरक्षा एन्हांसर के रूप में: एक विश्वसनीय सहयोगी रिले VLC भौतिक परत सुरक्षा के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो एक नियंत्रित हस्तक्षेप स्रोत या सिग्नल एन्हांसर के रूप में कार्य कर सकता है।
• बीमफॉर्मिंग महत्वपूर्ण है: साधारण रिले पर्याप्त नहीं है; सिग्नल को लाभकारी ढंग से निर्देशित करने के लिए बुद्धिमान बीमफॉर्मिंग डिज़ाइन की आवश्यकता है।
• संदर्भ-जागरूक योजना चयन: इष्टतम रिले रणनीति विशिष्ट परिदृश्य पर अत्यधिक निर्भर करती है और नेटवर्क ज्यामिति और खतरा मॉडल के अनुसार अनुकूली चयन की आवश्यकता होती है।
• व्यावहारिक बाधाएँ मूलभूत हैं: परिमाण बाधाएँ गौण विवरण नहीं हैं, बल्कि सिग्नल प्रोसेसिंग योजनाओं और प्रदर्शन सीमाओं के मूलभूत चालक हैं।

8. मूल विश्लेषण: मुख्य अंतर्दृष्टि और समीक्षा

मुख्य अंतर्दृष्टि: इस लेख का सबसे महत्वपूर्ण योगदान केवल रेडियो फ्रीक्वेंसी क्षेत्र से व्युत्पन्न रिले तकनीक को VLC पर लागू करना नहीं है, बल्कि VLC की विशिष्ट और अनदेखी न की जा सकने वाली आयाम बाधा के तहत, भौतिक परत सुरक्षा की संपूर्ण समस्या को सख्ती से पुनः प्रस्तुत करना है। यह VLC को "रेडियो फ्रीक्वेंसी के साथ प्रकाश" के रूप में देखने की सादृश्यता से परे है। यह कार्य सही ढंग से इंगित करता है कि इष्टतम सुरक्षा रणनीति ज्यामितीय लेआउट द्वारा निर्धारित, सिग्नल प्रवर्धन और निर्देशित हस्तक्षेप का एक मिश्रण है, जो सरल रिले नोड्स के एक समूह द्वारा मध्यस्थता प्राप्त है।मिश्रण। यह साइबर सुरक्षा में व्यापक प्रवृत्ति के अनुरूप है जो एकल एन्क्रिप्शन से वितरित भौतिक परत विश्वास वास्तुकला की ओर बढ़ रही है, जैसा कि Bloch et al. द्वारा रेडियो फ्रीक्वेंसी सहयोगी हस्तक्षेप अनुसंधान में देखा गया है।

तार्किक प्रवाह: तर्क उचित है: 1) VLC-विशिष्ट बाधित चैनल मॉडल को परिभाषित करना, 2) तीन शास्त्रीय रिले प्रोटोकॉल को अनुकूलित करना, 3) स्थानिक स्वतंत्रता का लाभ उठाने के लिए बीमफॉर्मिंग को एकीकृत करना, 4) प्रदर्शन मीट्रिक के रूप में प्राप्त करने योग्य दर क्षेत्र प्राप्त करना, 5) सिमुलेशन सत्यापन के माध्यम से ज्यामितीय लेआउट पर निर्भर श्रेष्ठता दिखाना। समस्या परिभाषा से समाधान और सत्यापन तक का प्रवाह शास्त्रीय और प्रभावी है।

लाभ और कमियाँ: एक प्रमुख लाभ यह है कि इसमें व्यावहारिक बाधाओं (आयाम सीमा, अर्ध-डुप्लेक्स रिले) और सूचना सिद्धांत सुरक्षा का व्यापक रूप से विचार किया गया है। कई योजनाओं में तुलनात्मक ढांचा मूल्यवान है। हालांकि, विश्लेषण में स्पष्ट कमियां भी हैं। सबसे पहले, यह काफी हद तकविश्वसनीयरिले की धारणा पर निर्भर करता है - जो एक बड़ी तैनाती बाधा है। दूसरा, ईव्सड्रॉपर चैनल के CSI की धारणा आमतौर पर अवास्तविक है; अधिक मजबूत डिजाइन को सबसे खराब स्थिति या सांख्यिकीय CSI पर विचार करना चाहिए। तीसरा, मूल्यांकन मुख्य रूप से संख्यात्मक प्रतीत होता है; VLC चैनल क्षति जैसे मल्टीपाथ फैलाव, गतिशीलता और परिवेश प्रकाश शोर, जो वास्तविक दुनिया में मौजूद हैं, को सुरक्षा दर व्युत्पत्ति में गहराई से एकीकृत नहीं किया गया है, जिससे लाभ अतिरंजित हो सकते हैं।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: व्यवसायियों के लिए, यह पेपर एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है: कम लागत, विश्वसनीय रिले लैंप का एक सघन नेटवर्क तैनात करना VLC सुरक्षा प्राप्त करने का एक व्यवहार्य मार्ग है। कुंजी बुद्धिमान, अनुकूली नियंत्रण सॉफ़्टवेयर में है जो कर सकता है: 1) नोड स्थानों का अनुमान लगाना, 2) अनुमानित खतरे के स्थान के आधार पर वास्तविक समय में इष्टतम रिले योजना का चयन करना, 3) संबंधित सुरक्षित बीमफॉर्मिंग वैक्टर की गणना करना। यह "संज्ञानात्मक सुरक्षा VLC नेटवर्क" के भविष्य की ओर इशारा करता है। शोधकर्ताओं को विश्वसनीय रिले और पूर्ण CSI की धारणाओं को शिथिल करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए, शायद ब्लॉकचेन-आधारित रिले ट्रस्ट तंत्र का लाभ उठाकर, या चैनल अनिश्चितता के तहत प्रभावी कृत्रिम शोर तकनीकों को विकसित करके।

9. तकनीकी विवरण और गणितीय ढांचा

मूल गणितीय समस्या आयाम बाधा $X \in [-A, A]$ के तहत सुरक्षित दर क्षेत्र को अधिकतम करने से संबंधित है। एक ईव्सड्रॉपर के साथ पॉइंट-टू-पॉइंट लिंक के लिए, इस बाधा के तहत सुरक्षित क्षमता $C_s$ का कोई बंद-रूप समाधान नहीं है, लेकिन एक निचली सीमा दी जा सकती है। एक समान इनपुट वितरण के लिए, पारस्परिक सूचना $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$ है, जहां $h$ चैनल लाभ है और $\sigma^2$ शोर विचरण है।

एकल रिले के साथ CJ योजना के लिए, रिले पर प्रेषित सिग्नल एक जैमिंग सिग्नल $J$ है। प्राप्त सिग्नल हैं:

DF प्रसारण रिले चैनल के लिए प्राप्य क्षेत्र, गुप्त संदेशों वाले प्रसारण चैनलों पर Liang et al. के कार्य पर आधारित है, और रिले द्वारा डिकोड किए गए संदेश तथा आयाम बाधा को शामिल करता है।

10. विश्लेषणात्मक ढांचा: उदाहरण केस स्टडी

परिदृश्य: एक 10 मीटर x 10 मीटर का कार्यालय। ट्रांसमीटर छत के केंद्र में स्थित है। दो वैध उपयोगकर्ता क्रमशः डेस्क पर स्थित हैं (निर्देशांक (2,2) और (8,8))। एक ईव्सड्रॉपर खिड़की के पास (10,5) पर संदिग्ध है। चार रिले लैंप छत के कोनों पर स्थापित हैं।

विश्लेषण चरण: 1. चैनल अनुमान: VLC चैनल मॉडल (जैसे लैम्बर्टियन मॉडल) का उपयोग करके सभी ट्रांसमीटर/रिले से उपयोगकर्ता/ईव्सड्रॉपर लिंक के डीसी गेन $h$ का अनुमान लगाएं। खतरा मूल्यांकन: प्रत्यक्ष संचरण के लिए संभावित ईव्सड्रॉपिंग दर की गणना करें: $R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$। योजना सिमुलेशन: - CJ: चार रिले के लिए बीमफॉर्मिंग वेक्टर डिज़ाइन करें, ताकि ईव्सड्रॉपर स्थिति ((10,5)) पर एक मजबूत, लेकिन U1 और U2 स्थितियों पर शून्य/न्यूनतम हस्तक्षेप पैटर्न बनाया जा सके। संबंधित $\mathbf{w}$ अनुकूलन समस्या को हल करें। DF/AF: मूल्यांकन करें कि रिले-ईव्सड्रॉपर लिंक रिले-यूज़र लिंक से कमजोर है या नहीं। यदि हां, तो DF/AF व्यवहार्य हो सकता है। प्रदर्शन तुलना: कुल शक्ति बजट के तहत, प्रत्यक्ष संचरण, CJ, DF और AF के लिए प्राप्त सुरक्षित दर जोड़े $(R_{s,1}, R_{s,2})$ की गणना करें। चुनें: सुरक्षित दर क्षेत्र का प्लॉट करें। इस ज्यामितीय लेआउट में, ईव्सड्रॉपर कमरे के किनारे के करीब है, संभवतः केंद्रीय ट्रांसमीटर से दूर, लेकिन कोने में स्थित रिले की सीमा के भीतर हो सकता है। CJ की संभावना जीतती है, क्योंकि रिले केंद्र में स्थित वैध उपयोगकर्ता को गंभीर रूप से नुकसान पहुंचाए बिना ईव्सड्रॉपर को प्रभावी ढंग से जाम कर सकता है। इष्टतम बीमफॉर्मिंग समाधान हस्तक्षेप ऊर्जा को खिड़की वाले क्षेत्र की ओर निर्देशित कर सकता है।

11. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध संभावनाएं

• हाइब्रिड VLC/आरएफ सुरक्षा नेटवर्क: VLC रिले के बीच विश्वास और समन्वय प्रबंधित करने के लिए सुरक्षा नियंत्रण तल के रूप में RF लिंक (जैसे Wi-Fi) का उपयोग करना, या उच्च गति डेटा ट्रांसफर के लिए VLC और जैमिंग के लिए RF का उपयोग करना।
• अनुकूली सुरक्षा के लिए मशीन लर्निंग: रीइन्फोर्समेंट लर्निंग का उपयोग करके नेटवर्क को एक गतिशील वातावरण में उपयोगकर्ता और ईव्सड्रॉपर स्थानों में परिवर्तन के साथ इष्टतम रिले योजना और बीमफॉर्मिंग पैटर्न सीखने में सक्षम बनाना।
• Li-Fi और 6G के साथ एकीकरण: जैसे-जैसे Li-Fi मानकीकरण की दिशा में काम कर रहा है और 6G ऑप्टिकल वायरलेस संचार की खोज कर रहा है, ये सुरक्षा रिले प्रोटोकॉल अति-सघन इनडोर नेटवर्क के लिंक लेयर सुरक्षा स्टैक का हिस्सा बन सकते हैं।
• इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के लिए फिजिकल लेयर सुरक्षा: स्मार्ट भवनों में बड़ी संख्या में कम-शक्ति IoT उपकरणों की सुरक्षा के लिए VLC का उपयोग करना, पारंपरिक क्रिप्टोग्राफी बहुत जटिल हो सकती है। रिले समूह-स्तरीय सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं।
• दृश्यमान प्रकाश स्थिति-निर्धारण सहायक सुरक्षा: उच्च-सटीक स्थिति-निर्धारण सेवाएं प्रदान करने के लिए एक ही बुनियादी ढांचे का उपयोग करना, ताकि संभावित ईव्सड्रॉपिंग क्षेत्रों की सटीक पहचान की जा सके और दिशात्मक जैमिंग लागू की जा सके।

12. संदर्भ सूची

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2. एम. ब्लोच, जे. बैरोस, एम. आर. डी. रॉड्रिग्स, और एस. डब्ल्यू. मैक्लॉघलिन, "वायरलेस इनफॉर्मेशन-थियोरेटिक सिक्योरिटी," फाउंडेशंस एंड ट्रेंड्स® इन कम्युनिकेशंस एंड इनफॉर्मेशन थ्योरी, वॉल्यूम 4, नंबर 4–5, पृष्ठ 265–515, 2008.
3. L. Yin and W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. (VLC चैनल मॉडल के बारे में)
4. Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, "Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 8, pp. 1462–1465, Aug. 2015. (आधुनिक रिले अवधारणा के बारे में)
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6. PureLiFi. "LiFi क्या है?" [ऑनलाइन]. उपलब्ध: https://purelifi.com/what-is-lifi/
7. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Std 802.15.7-2018, 2018.