Penyiaran Selamat Berbantukan Stesen Ulang Alik untuk Komunikasi Cahaya Nampak: Analisis dan Kerangka Kerja

1. Struktur & Analisis Kandungan

1.1. Senarai Kandungan

• 2. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan
• 3. Model Sistem & Rumusan Masalah
• 3.1. Model Saluran & Andaian
• 3.2. Kekangan Amplitud & Pensinyalan
• 4. Skim Stesen Ulang Alik yang Dicadangkan
• 4.1. Gangguan Koperasi (CJ)
• 4.2. Dekod-dan-Hantar (DF)
• 4.3. Amplifikasi-dan-Hantar (AF)
• 4.4. Reka Bentuk Pembentukan Alur Selamat
• 5. Kawasan Kadar Kerahsiaan yang Boleh Dicapai
• 6. Keputusan Eksperimen & Penilaian Prestasi
• 7. Intipati Utama & Ringkasan
• 8. Analisis Asal: Intipati Teras & Kritikan
• 9. Butiran Teknikal & Kerangka Kerja Matematik
• 10. Kerangka Analisis: Kajian Kes Contoh
• 11. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan
• 12. Rujukan

2. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Karya ini menangani cabaran kritikal untuk menjamin keselamatan komunikasi siaran dalam sistem Komunikasi Cahaya Nampak (VLC). VLC, yang memanfaatkan lampu LED untuk penghantaran data, adalah penyelesaian yang menjanjikan untuk rangkaian berkelajuan tinggi dalaman tetapi secara semula jadi mempunyai sifat siaran, menjadikannya terdedah kepada penyadapan. Kertas kerja ini mencadangkan satu kerangka kerja baharu yang menggunakan berbilang nod stesen ulang alik separuh dupleks koperasi yang dipercayai untuk meningkatkan keselamatan lapisan fizikal terhadap penyadap luaran dalam tetapan siaran input tunggal keluaran tunggal (SISO) dengan dua pengguna sah.

Inovasi teras terletak pada pengintegrasian tiga strategi stesen ulang alik klasik—Gangguan Koperasi (CJ), Dekod-dan-Hantar (DF), dan Amplifikasi-dan-Hantar (AF)—dengan pembentukan alur selamat yang direka dengan teliti di stesen ulang alik. Semua penghantaran tertakluk kepada kekangan amplitud untuk menghormati julat dinamik LED, menggunakan pengekodan superposisi dengan pensinyalan seragam. Analisis ini memperoleh kawasan kadar kerahsiaan yang boleh dicapai dan menunjukkan keunggulan skim berbantukan stesen ulang alik berbanding penghantaran langsung, dengan prestasi sangat bergantung pada lokasi penyadap, bilangan stesen ulang alik, dan geometri rangkaian.

3. Model Sistem & Rumusan Masalah

3.1. Model Saluran & Andaian

Sistem ini terdiri daripada pemancar lampu (Tx), dua penerima sah (R₁, R₂), satu penyadap luaran (Eve), dan N stesen ulang alik lampu yang dipercayai. Semua nod dilengkapi dengan satu pemasangan cahaya (berbilang LED) atau satu pengesan foto tunggal, menjadikannya sistem SISO setiap pautan. Saluran VLC dimodelkan dengan mengambil kira kedua-dua komponen garis penglihatan (LoS) dan resapan. Stesen ulang alik beroperasi dalam mod separuh dupleks. Satu andaian utama ialah pengetahuan maklumat keadaan saluran (CSI) untuk semua pautan yang melibatkan nod sah; saluran penyadap mungkin diketahui sebahagian atau tidak diketahui, yang mempengaruhi reka bentuk pembentukan alur.

3.2. Kekangan Amplitud & Pensinyalan

Isyarat yang dihantar adalah terhad amplitud, iaitu $X \in [-A, A]$, untuk memastikan LED beroperasi dalam julat dinamik linearnya dan memenuhi keperluan pencahayaan. Taburan input adalah seragam dalam selang ini untuk pengekodan superposisi. Kadar kerahsiaan untuk pengguna $k$ terhadap penyadap ditakrifkan sebagai $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$, di mana $I(\cdot;\cdot)$ ialah maklumat bersama, $Y_k$ ialah isyarat pada penerima sah $k$, dan $Z$ ialah isyarat pada penyadap. Matlamatnya adalah untuk mencirikan kawasan $(R_{s,1}, R_{s,2})$ yang boleh dicapai secara serentak.

4. Skim Stesen Ulang Alik yang Dicadangkan

4.1. Gangguan Koperasi (CJ)

Stesen ulang alik menghantar bunyi buatan (isyarat gangguan) yang direka untuk merosotkan saluran penyadap sambil menyebabkan gangguan minimum kepada penerima sah. Ini dicapai melalui pembentukan alur penjajaran nol di mana isyarat gangguan diunjurkan ke ruang nol saluran sah atau dengan mengoptimumkan vektor pembentukan alur untuk memaksimumkan kadar kerahsiaan.

4.2. Dekod-dan-Hantar (DF)

Stesen ulang alik menyahkod mesej sumber dan mengekod semula sebelum menghantar semula. Skim ini memerlukan pautan stesen ulang alik-ke-penyadap lebih lemah daripada pautan stesen ulang alik-ke-pengguna sah untuk mengelakkan kebocoran maklumat. Kerahsiaan dicapai dengan memanfaatkan keupayaan stesen ulang alik untuk mengawal struktur isyarat yang dihantar semula.

4.3. Amplifikasi-dan-Hantar (AF)

Stesen ulang alik hanya menguatkan dan menghantar semula isyarat yang diterima tanpa menyahkod. Walaupun lebih mudah, ia juga menguatkan bunyi. Pembentukan alur selamat adalah penting di sini untuk memberatkan isyarat yang dikuatkan dengan cara yang lebih menguntungkan penerima sah berbanding penyadap.

4.4. Reka Bentuk Pembentukan Alur Selamat

Untuk semua skim, vektor pembentukan alur $\mathbf{w}_i$ pada stesen ulang alik $i$ direka untuk menyelesaikan masalah pengoptimuman dalam bentuk: $\max_{\mathbf{w}} \ \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$ tertakluk kepada $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ dan kekangan amplitud. Pendekatan adil maks-min ini bertujuan untuk meningkatkan pautan sah yang paling lemah sambil menindas pautan penyadap.

5. Kawasan Kadar Kerahsiaan yang Boleh Dicapai

Kertas kerja ini memperoleh batasan dalam (kawasan boleh dicapai) untuk kawasan kapasiti kerahsiaan di bawah kekangan amplitud untuk setiap skim. Untuk DF, kawasan ini berdasarkan saluran siaran dengan mesej sulit dan stesen ulang alik koperasi. Untuk CJ dan AF, kawasan tersebut melibatkan ungkapan kompleks yang menggabungkan istilah maklumat bersama daripada fasa siaran dan capaian berbilang operasi stesen ulang alik. Satu penemuan utama ialah kawasan ini adalah lebih besar daripada kawasan untuk penghantaran langsung, mengesahkan nilai stesen ulang alik.

6. Keputusan Eksperimen & Penilaian Prestasi

Prestasi dinilai melalui simulasi berangka kawasan kadar kerahsiaan yang diperoleh. Pemerhatian utama yang dibentangkan (disimpulkan daripada abstrak dan pengenalan):

• Keunggulan Berbanding Penghantaran Langsung: Semua skim berbantukan stesen ulang alik dengan pembentukan alur selamat mengatasi penghantaran langsung, mengembangkan kawasan kadar kerahsiaan yang boleh dicapai dengan ketara.
• Kebergantungan Skim: Tiada skim tunggal mendominasi secara universal. Skim terbaik bergantung pada:
  • Lokasi Penyadap: CJ sangat berkesan apabila Eve berhampiran stesen ulang alik tetapi jauh daripada pengguna sah. DF/AF mungkin lebih baik apabila Eve berhampiran sumber.
  • Bilangan Stesen Ulang Alik (N): Prestasi bertambah baik dengan lebih banyak stesen ulang alik disebabkan peningkatan darjah kebebasan untuk pembentukan alur.
  • Susun Atur Geometri: Taburan ruang stesen ulang alik relatif kepada Tx, pengguna, dan Eve memberi kesan kritikal kepada keuntungan pembentukan alur dan keupayaan pengurusan gangguan.
• Pertukaran: CJ mungkin mengorbankan sedikit kuasa untuk gangguan, berpotensi mengurangkan kadar untuk pengguna sah. DF memerlukan penyahkodan berjaya di stesen ulang alik, mengenakan kekangan kadar pada lompatan pertama. AF adalah mudah tetapi terjejas oleh penguatan bunyi.

7. Intipati Utama & Ringkasan

• Stesen Ulang Alik sebagai Peningkat Keselamatan: Stesen ulang alik koperasi yang dipercayai adalah alat yang berkuasa untuk keselamatan lapisan fizikal VLC, bertindak sebagai pengganggu boleh kawal atau penguat isyarat.
• Pembentukan Alur adalah Penting: Stesen ulang alik mudah tidak mencukupi; reka bentuk pembentukan alur pintar adalah perlu untuk mengarahkan isyarat dengan bermanfaat.
• Pemilihan Skim Sedar Konteks: Strategi stesen ulang alik optimum adalah sangat spesifik kepada senario, memerlukan pemilihan adaptif berdasarkan geometri rangkaian dan model ancaman.
• Kekangan Praktikal adalah Pusat: Kekangan amplitud bukanlah butiran kecil tetapi pemacu asas skim pensinyalan dan had prestasi.

8. Analisis Asal: Intipati Teras & Kritikan

Intipati Teras: Sumbangan paling signifikan kertas kerja ini bukan sekadar menggunakan stesen ulang alik terbitan RF kepada VLC, tetapi merumus semula keseluruhan masalah keselamatan lapisan fizikal di bawah kekangan amplitud unik dan tidak boleh diabaikan VLC dengan teliti. Ia melangkaui rawatan VLC sebagai analogi "RF dengan cahaya". Karya ini mengenal pasti dengan betul bahawa strategi keselamatan optimum adalah hibrid ditentukan secara geometri daripada pengukuhan isyarat dan gangguan disasarkan, dimediasi oleh sekumpulan nod stesen ulang alik mudah. Ini selaras dengan trend yang lebih luas dalam keselamatan rangkaian beralih daripada penyulitan monolitik kepada seni bina kepercayaan lapisan fizikal teragih, seperti yang dilihat dalam penyelidikan mengenai gangguan koperasi untuk RF oleh Bloch et al. [Foundations and Trends in Communications and Information Theory, 2008].

Aliran Logik: Logiknya kukuh: 1) Takrifkan model saluran terhad khusus VLC, 2) Adaptasi tiga protokol stesen ulang alik kanonik (CJ, DF, AF), 3) Integrasi pembentukan alur untuk mengeksploitasi darjah kebebasan ruang, 4) Peroleh kawasan kadar boleh dicapai sebagai metrik prestasi, 5) Sahkan melalui simulasi menunjukkan keunggulan bergantung geometri. Aliran daripada definisi masalah kepada penyelesaian dan pengesahan adalah klasik dan berkesan.

Kekuatan & Kelemahan: Satu kekuatan utama ialah pertimbangan holistik kekangan praktikal (had amplitud, stesen ulang alik separuh dupleks) bersama-sama keselamatan teori maklumat. Kerangka perbandingan merentasi berbilang skim adalah berharga. Walau bagaimanapun, analisis ini mempunyai kelemahan ketara. Pertama, ia sangat bergantung pada andaian stesen ulang alik dipercayai—satu halangan penyebaran yang ketara. Kedua, andaian CSI untuk saluran penyadap sering tidak realistik; reka bentuk yang lebih teguh harus mempertimbangkan CSI kes terburuk atau statistik, seperti yang diterokai dalam literatur pembentukan alur teguh (contohnya, kerja oleh Lorenz et al. dalam IEEE TSP). Ketiga, penilaian sebahagian besarnya berangka; gangguan saluran VLC dunia sebenar seperti penyebaran berbilang laluan, mobiliti, dan bunyi cahaya ambien tidak diintegrasikan secara mendalam ke dalam terbitan kadar kerahsiaan, berpotensi melebih-lebihkan keuntungan.

Intipati Boleh Tindak: Untuk pengamal, kertas kerja ini menawarkan pelan tindakan yang jelas: Menyebarkan rangkaian padat stesen ulang alik lampu kos rendah yang dipercayai adalah laluan yang boleh dilaksanakan untuk keselamatan VLC. Kuncinya ialah perisian kawalan pintar dan adaptif yang boleh: 1) Anggarkan lokasi nod (melalui teknik seperti penentuan kedudukan cahaya nampak), 2) Pilih skim stesen ulang alik optimum (CJ/DF/AF) secara masa nyata berdasarkan anggaran lokasi ancaman, dan 3) Kira vektor pembentukan alur selamat yang sepadan. Ini menunjuk ke arah masa depan "rangkaian VLC selamat kognitif." Penyelidik harus menumpukan pada melonggarkan andaian stesen ulang alik dipercayai dan CSI sempurna, mungkin menggunakan mekanisme kepercayaan berasaskan blok rantai untuk stesen ulang alik atau membangunkan teknik bunyi buatan yang berkesan di bawah ketidakpastian saluran, diilhamkan oleh kerja dalam RF seperti penggunaan pudar pantas buatan.

9. Butiran Teknikal & Kerangka Kerja Matematik

Masalah matematik teras melibatkan memaksimumkan kawasan kadar kerahsiaan di bawah kekangan amplitud $X \in [-A, A]$. Untuk pautan titik-ke-titik dengan penyadap, kapasiti kerahsiaan $C_s$ di bawah kekangan sedemikian tidak diketahui dalam bentuk tertutup tetapi boleh dibatasi bawah. Dengan taburan input seragam, maklumat bersama ialah $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$ di mana $h$ ialah keuntungan saluran dan $\sigma^2$ ialah varians bunyi.

Untuk skim CJ dengan satu stesen ulang alik, isyarat yang dihantar di stesen ulang alik ialah isyarat gangguan $J$. Isyarat yang diterima adalah: $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$, $Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$. Reka bentuk pembentukan alur untuk $J$ bertujuan untuk menjadikan $|h_{r,e}|$ besar sambil mengekalkan $|h_{r,k}|$ kecil, diformalkan sebagai: $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$ tertakluk kepada $E[J^2] \leq P_J$ dan $J \in [-A_J, A_J]$.

Kawasan boleh dicapai untuk saluran stesen ulang alik siaran DF dibina berdasarkan kerja Liang et al. mengenai saluran siaran dengan mesej sulit, menggabungkan mesej yang disahkod stesen ulang alik dan kekangan amplitud.

10. Kerangka Analisis: Kajian Kes Contoh

Senario: Sebuah bilik pejabat 10m x 10m. Tx terletak di tengah siling. Dua pengguna sah (U1, U2) berada di meja (koordinat (2,2) dan (8,8)). Satu penyadap disyaki berhampiran tingkap di (10,5). Empat lampu stesen ulang alik dipasang di penjuru siling.

Langkah Analisis: 1. Anggaran Saluran: Gunakan model saluran VLC (contohnya, model Lambertian) untuk menganggarkan keuntungan DC $h$ untuk semua pautan Tx/Stesen Ulang Alik-ke-Pengguna/Eve. 2. Penilaian Ancaman: Kira kadar penyadapan berpotensi untuk penghantaran langsung: $R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$. 3. Simulasi Skim: - CJ: Reka bentuk vektor pembentukan alur untuk empat stesen ulang alik untuk mencipta corak gangguan yang kuat di lokasi Eve ((10,5)) tetapi mempunyai nol/minima di lokasi U1 dan U2. Selesaikan pengoptimuman sepadan untuk $\mathbf{w}$. - DF/AF: Nilaikan sama ada pautan stesen ulang alik-Eve lebih lemah daripada pautan stesen ulang alik-pengguna. Jika ya, DF/AF mungkin boleh dilaksanakan. 4. Perbandingan Prestasi: Kira pasangan kadar kerahsiaan boleh dicapai $(R_{s,1}, R_{s,2})$ untuk penghantaran langsung, CJ, DF, dan AF di bawah belanjawan kuasa total. 5. Pemilihan: Plot kawasan kadar kerahsiaan. Dalam geometri ini, Eve berhampiran tepi bilik, mungkin jauh daripada Tx pusat tetapi berpotensi dalam julat stesen ulang alik penjuru. CJ berkemungkinan pemenang kerana stesen ulang alik boleh mengganggu Eve dengan berkesan tanpa menjejaskan pengguna sah yang terletak di tengah dengan teruk. Penyelesaian pembentukan alur optimum berkemungkinan mengarahkan tenaga gangguan ke arah kawasan tingkap.

11. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

• Rangkaian Selamat Hibrid VLC/RF: Menggunakan pautan RF (contohnya, Wi-Fi) sebagai satah kawalan selamat untuk mengurus kepercayaan dan koordinasi antara stesen ulang alik VLC, atau menggunakan VLC untuk data berkelajuan tinggi dan RF untuk gangguan.
• Pembelajaran Mesin untuk Keselamatan Adaptif: Menggunakan pembelajaran pengukuhan untuk membolehkan rangkaian mempelajari skim stesen ulang alik optimum dan corak pembentukan alur dalam persekitaran dinamik di mana lokasi pengguna dan penyadap berubah.
• Integrasi dengan Li-Fi dan 6G: Memandangkan Li-Fi bertujuan untuk pemiawaian dan 6G meneroka komunikasi wayarles optik, protokol stesen ulang alik selamat ini boleh menjadi sebahagian daripada timbunan keselamatan lapisan pautan untuk rangkaian dalaman ultra-padat.
• Keselamatan Lapisan Fizikal untuk IoT: Menjamin keselamatan sejumlah besar peranti IoT berkuasa rendah dalam bangunan pintar menggunakan VLC, di mana kriptografi tradisional mungkin terlalu berat. Stesen ulang alik boleh menyediakan keselamatan peringkat kumpulan.
• Keselamatan Dibantu Penentuan Kedudukan Cahaya Nampak (VLP): Menggunakan infrastruktur yang sama untuk perkhidmatan lokasi ketepatan tinggi untuk mengenal pasti zon penyadap berpotensi dengan tepat dan menggunakan gangguan disasarkan.

12. Rujukan

1. A. Arafa, E. Panayirci, dan H. V. Poor, "Relay-Aided Secure Broadcasting for Visible Light Communications," arXiv:1809.03479v2 [cs.IT], Jan. 2019.
2. M. Bloch, J. Barros, M. R. D. Rodrigues, dan S. W. McLaughlin, "Wireless Information-Theoretic Security," Foundations and Trends® in Communications and Information Theory, vol. 4, no. 4–5, pp. 265–515, 2008.
3. L. Yin dan W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. (Untuk model saluran VLC)
4. Z. Ding, M. Peng, dan H. V. Poor, "Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 8, pp. 1462–1465, Aug. 2015. (Untuk konsep stesen ulang alik moden)
5. Y. S. Shiu, S. Y. Chang, H. C. Wu, S. C. Huang, dan H. H. Chen, "Physical layer security in wireless networks: a tutorial," IEEE Wireless Communications, vol. 18, no. 2, pp. 66-74, April 2011.
6. PureLiFi. "What is LiFi?" [Online]. Tersedia: 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.