Chagua Lugha

Usambazaji Salama wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana Unaosaidiwa na Vipokeaji Vya Kati: Uchambuzi na Mfumo

Uchambuzi wa mipango ya usalama wa tabaka la kimwili kwa njia za usambazaji wa VLC kwa kutumia vipokeaji vya kati vya ushirikiano, uundaji wa mihimili, na utumizi wa ishara zenye kikomo cha ukubwa.
rgbcw.cn | PDF Size: 0.5 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Usambazaji Salama wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana Unaosaidiwa na Vipokeaji Vya Kati: Uchambuzi na Mfumo
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Usambazaji Salama wa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana Unaosaidiwa na Vipokeaji Vya Kati: Uchambuzi na Mfumo

1. Muundo wa Maudhui & Uchambuzi

1.1. Yaliyomo

2. Utangulizi & Muhtasari

Kazi hii inashughulikia changamoto muhimu ya kuhakikisha usalama wa mawasiliano ya usambazaji katika mifumo ya Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC). VLC, inayotumia taa za LED kwa usambazaji wa data, ni suluhisho la kuaminika kwa mitandao ya ndani ya kasi ya juu lakini kwa asili inakabiliwa na hali ya usambazaji, na kufanya iwe rahisi kusakuliwa. Karatasi hii inapendekeza mfumo mpya unaotumia nodi nyingi za kuaminika za vipokeaji vya kati vya ushirikiano vya nusu-duplex ili kuboresha usalama wa tabaka la kimwili dhidi ya msakala wa nje katika mpangilio wa usambazaji wa moja-kuingiza-moja-kutoa (SISO) wenye watumiaji wawili halali.

Uvumbuzi wa msingi upo katika kuunganisha mikakati mitatu ya jadi ya vipokeaji vya kati—Usumbufu wa Kushirikiana (CJ), Kusimbua-na-Kusambaza (DF), na Kuongeza-na-Kusambaza (AF)—pamoja na uundaji wa mihimili salama ulioundwa kwa uangalifu kwenye vipokeaji vya kati. Usambazaji wote unakabiliwa na vikomo vya ukubwa ili kuzingatia anuwai ya mienendo ya LED, kwa kutumia usimbaji wa juu na utumizi wa ishara sare. Uchambuzi hupata maeneo yanayowezekana ya kiwango cha usiri na unaonyesha ubora wa mipango inayosaidiwa na vipokeaji vya kati kuliko usambazaji wa moja kwa moja, na utendaji unategemea sana eneo la msakala, idadi ya vipokeaji vya kati, na jiometri ya mtandao.

3. Mfumo wa Mfano & Uundaji wa Tatizo

3.1. Mfano wa Njia ya Mawasiliano & Dhana

Mfumo huu unajumuisha taa ya kusambazaji (Tx), vipokeaji viwili halali (R1, R2), msakala wa nje (Eve), na N taa za kuaminika za vipokeaji vya kati. Nodi zote zimefunikwa na vifaa vya mwanga vya moja (LED nyingi) au vipokeaji vya picha vya moja, na kufanya iwe mfumo wa SISO kwa kila kiungo. Njia ya VLC inaonyeshwa kwa kuzingatia vipengele vyote vya mstari wa kuona (LoS) na vilivyotawanyika. Vipokeaji vya kati vinafanya kazi katika hali ya nusu-duplex. Dhana muhimu ni ujuzi wa habari ya hali ya njia (CSI) kwa viungo vyote vinavyohusisha nodi halali; njia ya msakala inaweza kujulikana kwa sehemu au haijulikani, na hii inaathiri uundaji wa mihimili.

3.2. Vikomo vya Ukubwa & Utumizi wa Ishara

Ishara zinazosambazwa zina kikomo cha ukubwa, yaani, $X \in [-A, A]$, ili kuhakikisha LED zinafanya kazi ndani ya anuwai yao ya mienendo ya mstari na kukidhi mahitaji ya mwanga. Usambazaji wa pembejeo ni sare katika muda huu kwa usimbaji wa juu. Kiwango cha usiri kwa mtumiaji $k$ dhidi ya msakala kinafafanuliwa kama $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$, ambapo $I(\cdot;\cdot)$ ni habari ya pamoja, $Y_k$ ni ishara kwenye kipokeaji halali $k$, na $Z$ ni ishara kwenye msakala. Lengo ni kuainisha eneo la $(R_{s,1}, R_{s,2})$ linalowezekana wakati huo huo.

4. Mipango Iliyopendekezwa ya Vipokeaji Vya Kati

4.1. Usumbufu wa Kushirikiana (CJ)

Vipokeaji vya kati husambaza kelele bandia (ishara za kusumbua) ambazo zimeundwa kudhoofisha njia ya msakala huku zikisababisha usumbufu mdogo kwa vipokeaji halali. Hii inafikiwa kupitia uundaji wa mihimili ya kuelekeza tupu ambapo ishara ya kusumbua inaonyeshwa kwenye nafasi tupu ya njia halali au kwa kuboresha vekta za uundaji wa mihimili ili kuongeza kiwango cha usiri.

4.2. Kusimbua-na-Kusambaza (DF)

Vipokeaji vya kati husimbua ujumbe wa chanzo na kuisimbua tena kabla ya kusambaza. Mpango huu unahitaji kiungo cha kipokeaji-kati-kwa-msakala kiwe dhaifu kuliko viungo vya kipokeaji-kati-kwa-mtumiaji-halali ili kuzuia uvujaji wa habari. Usiri unafikiwa kwa kutumia uwezo wa kipokeaji kati wa kudhibiti muundo wa ishara iliyosambazwa.

4.3. Kuongeza-na-Kusambaza (AF)

Vipokeaji vya kati hukuongeza tu na kusambaza ishara iliyopokelewa bila kuisimbua. Ingawa ni rahisi, pia huongeza kelele. Uundaji wa mihimili salama ni muhimu hapa ili kupima ishara iliyokuzwa kwa njia inayowafaa vipokeaji halali zaidi kuliko msakala.

4.4. Uundaji wa Mihimili Salama

Kwa mipango yote, vekta za uundaji wa mihimili $\mathbf{w}_i$ kwenye kipokeaji kati $i$ zimeundwa kutatua matatizo ya ubora wa fomu: $\max_{\mathbf{w}} \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$ chini ya $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ na vikomo vya ukubwa. Njia hii ya haki ya upeo-kima cha chini inalenga kuimarisha kiungo dhaifu zaidi cha halali huku ikikandamiza cha msakala.

5. Maeneo Yanayowezekana ya Kiwango cha Usiri

Karatasi hii hupata mipaka ya ndani (maeneo yanayowezekana) kwa eneo la uwezo wa usiri chini ya vikomo vya ukubwa kwa kila mpango. Kwa DF, eneo hilo linatokana na njia ya usambazaji yenye ujumbe wa siri na kipokeaji kati cha ushirikiano. Kwa CJ na AF, maeneo yanahusisha misemo changamano inayounganisha maneno ya habari ya pamoja kutoka kwa njia ya usambazaji na awamu za ushirikiano wa kipokeaji kati. Ugunduzi muhimu ni kwamba maeneo haya ni makubwa zaidi kuliko eneo la usambazaji wa moja kwa moja, na kuthibitisha thamani ya vipokeaji vya kati.

6. Matokeo ya Majaribio & Tathmini ya Utendaji

Utendaji hupimwa kupitia uigaji wa nambari wa maeneo yaliyopatikana ya kiwango cha usiri. Uchunguzi muhimu uliowasilishwa (uliotolewa kutoka kwa muhtasari na utangulizi):

7. Ufahamu Muhimu & Muhtasari

8. Uchambuzi wa Asili: Ufahamu wa Msingi & Ukosoaji

Ufahamu wa Msingi: Mchango mkubwa zaidi wa karatasi hii sio tu kutumia vipokeaji vya kati vilivyotokana na RF kwa VLC, bali pia kuunda upya kwa ukali tatizo lote la usalama wa tabaka la kimwili chini ya vikomo vya kipekee na visivyoweza kupuuzwa vya ukubwa vya VLC. Inapita zaidi ya kuchukulia VLC kama "RF na taa". Kazi hiyo inatambua kwa usahihi kwamba mkakati bora wa usalama ni mchanganyiko ulioamuliwa kijiometri wa uimarishaji wa ishara na usumbufu uliolengwa, unaodhibitiwa na kundi la nodi rahisi za vipokeaji vya kati. Hii inalingana na mwelekeo mpana katika usalama wa mtandao unaohama kutoka kwa usimbaji fiche wa umoja hadi miundo ya imani ya tabaka la kimwili iliyosambazwa, kama inavyoonekana katika utafiti wa usumbufu wa ushirikiano kwa RF na Bloch et al. [Foundations and Trends in Communications and Information Theory, 2008].

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni sahihi: 1) Fafanua mfano wa njia maalum ya VLC wenye vikomo, 2) Badilisha itifaki tatu za kawaida za vipokeaji vya kati (CJ, DF, AF), 3) Unganisha uundaji wa mihimili ili kutumia digrii za uhuru za anga, 4) Pata maeneo yanayowezekana ya kiwango kama kipimo cha utendaji, 5) Thibitisha kupitia uigaji unaonyesha ubora unaotegemea jiometri. Mtiririko kutoka kwa ufafanuzi wa tatizo hadi suluhisho na uthibitisho ni wa jadi na wenye ufanisi.

Nguvu & Kasoro: Nguvu kuu ni kuzingatia kwa ukamilifu vikomo vya vitendo (vikomo vya ukubwa, vipokeaji vya kati vya nusu-duplex) pamoja na usalama wa nadharia ya habari. Mfumo wa kulinganisha katika mipango mingi ni wa thamani. Hata hivyo, uchambuzi una kasoro zinazojulikana. Kwanza, unategemea sana dhana ya vipokeaji vya kati vya kuaminika—kipingamizi kikubwa cha uanzishaji. Pili, dhana ya CSI kwa njia ya msakala mara nyingi haiwezekani; muundo wenye nguvu zaidi unapaswa kuzingatia CSI ya hali mbaya zaidi au ya takwimu, kama ilivyochunguzwa katika fasihi ya uundaji wa mihimili wenye nguvu (mfano, kazi ya Lorenz et al. katika IEEE TSP). Tatu, tathmini inaonekana kuwa ya nambari kwa kiasi kikubwa; kasoro za njia halisi za VLC kama vile mtawanyiko wa njia nyingi, uhamaji, na kelele ya mwanga wa mazingira hazijaunganishwa kwa kina katika upatikanaji wa kiwango cha usiri, na hii inaweza kuongeza faida.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watendaji, karatasi hii inatoa mchoro wazi: Kuweka mtandao mnene wa taa za bei nafuu za kuaminika za vipokeaji vya kati ni njia inayowezekana ya usalama wa VLC. Ufunguo ni programu ya udhibiti yenye akili, inayobadilika ambayo inaweza: 1) Kukadiria maeneo ya nodi (kupitia mbinu kama vile uwekaji wa mwanga unaoonekana), 2) Kuchagua mpango bora wa vipokeaji vya kati (CJ/DF/AF) kwa wakati halisi kulingana na eneo la tishio lililokadiriwa, na 3) Kuhesabu vekta zinazolingana za uundaji wa mihimili salama. Hii inaelekeza kuelekea siku zijazo za "mitandao ya VLC salama yenye utambuzi". Watafiti wanapaswa kulenga kupunguza dhana za kipokeaji kati cha kuaminika na CSI kamili, labda kwa kutumia utaratibu wa imani unaotegemea blockchain kwa vipokeaji vya kati au kukuza mbinu za kelele bandia zinazofanya kazi chini ya kutokuwa na uhakika wa njia, zilizochochewa na kazi katika RF kama vile matumizi ya mabadiliko ya haraka ya bandia.

9. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Tatizo la msingi la hisabati linahusisha kuongeza eneo la kiwango cha usiri chini ya kikomo cha ukubwa $X \in [-A, A]$. Kwa kiungo cha nukta-kwa-nukta na msakala, uwezo wa usiri $C_s$ chini ya kikomo kama hicho haujulikani kwa fomu iliyofungwa lakini unaweza kupunguzwa. Kwa usambazaji sare wa pembejeo, habari ya pamoja ni $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$ ambapo $h$ ni faida ya njia na $\sigma^2$ ni tofauti ya kelele.

Kwa mpango wa CJ na kipokeaji kati kimoja, ishara iliyosambazwa kwenye kipokeaji kati ni ishara ya kusumbua $J$. Ishara zilizopokelewa ni: $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$, $Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$. Uundaji wa mihimili kwa $J$ unalenga kufanya $|h_{r,e}|$ iwe kubwa huku $|h_{r,k}|$ ikibaki ndogo, na kufafanuliwa kama: $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$ chini ya $E[J^2] \leq P_J$ na $J \in [-A_J, A_J]$.

Eneo linalowezekana kwa njia ya usambazaji ya kipokeaji kati cha DF linajengwa juu ya kazi ya Liang et al. kwenye njia za usambazaji zenye ujumbe wa siri, na kujumuisha ujumbe uliosimbuliwa wa kipokeaji kati na vikomo vya ukubwa.

10. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi ya Utafiti

Hali: Chumba cha ofisi cha 10m x 10m. Tx iko katikati ya dari. Watumiaji wawili halali (U1, U2) wako kwenye dawati (viwianishi (2,2) na (8,8)). Msakala mmoja anashukiwa karibu na dirisha kwenye (10,5). Taa nne za vipokeaji vya kati zimewekwa kwenye pembe za dari.

Hatua za Uchambuzi: 1. Ukadiriaji wa Njia: Tumia mfano wa njia ya VLC (mfano, mfano wa Lambertian) ili kukadiria faida za DC $h$ kwa viungo vyote vya Tx/Kipokeaji-kati-kwa-Mtumiaji/Eve. 2. Tathmini ya Tishio: Hesabu kiwango kinachowezekana cha kusakuliwa kwa usambazaji wa moja kwa moja: $R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$. 3. Uigaji wa Mpango: - CJ: Unda vekta za uundaji wa mihimili kwa vipokeaji vya kati vinne ili kuunda muundo wa kusumbua ambao ni wenye nguvu kwenye eneo la Eve ((10,5)) lakini una tupu/kiwango cha chini kwenye maeneo ya U1 na U2. Tatua ubora unaolingana kwa $\mathbf{w}$. - DF/AF: Tathmini ikiwa viungo vya kipokeaji-kati-Eve ni dhaifu kuliko viungo vya kipokeaji-kati-mtumiaji. Ikiwa ndio, DF/AF inaweza kuwa inayowezekana. 4. Ulinganisho wa Utendaji: Hesabu jozi za kiwango cha usiri zinazowezekana $(R_{s,1}, R_{s,2})$ kwa usambazaji wa moja kwa moja, CJ, DF, na AF chini ya bajeti ya jumla ya nguvu. 5. Uchaguzi: Panga maeneo ya kiwango cha usiri. Katika jiometri hii, Eve iko karibu na ukingo wa chumba, labda mbali na Tx ya katikati lakini inaweza kuwa ndani ya upeo wa kipokeaji kati cha pembe. CJ kwa uwezekano mkubwa ndiyo mshindi kwani vipokeaji vya kati vinaweza kusumbua Eve kwa ufanisi bila kudhuru kwa kiasi kikubwa watumiaji halali walioko katikati. Suluhisho bora la uundaji wa mihimili kwa uwezekano mkubwa lingelekeza nishati ya kusumbua kuelekea eneo la dirisha.

11. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

12. Marejeo

  1. A. Arafa, E. Panayirci, na 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, na S. W. McLaughlin, "Wireless Information-Theoretic Security," Foundations and Trends® in Communications and Information Theory, vol. 4, no. 4–5, uk. 265–515, 2008.
  3. L. Yin na W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. (Kwa mifano ya njia ya VLC)
  4. Z. Ding, M. Peng, na H. V. Poor, "Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 8, uk. 1462–1465, Agosti 2015. (Kwa dhana za kisasa za vipokeaji vya kati)
  5. Y. S. Shiu, S. Y. Chang, H. C. Wu, S. C. Huang, na H. H. Chen, "Physical layer security in wireless networks: a tutorial," IEEE Wireless Communications, vol. 18, no. 2, uk. 66-74, Aprili 2011.
  6. PureLiFi. "What is LiFi?" [Mtandaoni]. Inapatikana: https://purelifi.com/what-is-lifi/
  7. Kiwango cha IEEE cha Mitandao ya Eneo la Karibu na Jiji–Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Mwanga ya Waya ya Mfupi Kutumia Mwanga Unaonekana, IEEE Std 802.15.7-2018, 2018.