Dil Seçin

Görünür Işık Haberleşmesi için Röle Destekli Güvenli Yayıncılık: Analiz ve Çerçeve

İşbirlikçi röleler, hüzme şekillendirme ve genlik kısıtlı sinyalleme kullanarak VLC yayın kanalları için fiziksel katman güvenlik şemalarının analizi.
rgbcw.cn | PDF Size: 0.5 MB
Değerlendirme: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Değerlendirmeniz
Bu belgeyi zaten değerlendirdiniz
PDF Belge Kapağı - Görünür Işık Haberleşmesi için Röle Destekli Güvenli Yayıncılık: Analiz ve Çerçeve
PDF Belgesini Görüntüle PDF İndir PDF Çevir
Ana Sayfa » Dokümantasyon » Görünür Işık Haberleşmesi için Röle Destekli Güvenli Yayıncılık: Analiz ve Çerçeve

1. İçerik Yapısı ve Analiz

1.1. İçindekiler

2. Giriş ve Genel Bakış

Bu çalışma, Görünür Işık Haberleşmesi (VLC) sistemlerinde yayın iletişiminin güvenliğini sağlama konusundaki kritik zorluğu ele almaktadır. LED aydınlatma armatürlerini veri iletimi için kullanan VLC, kapalı alan yüksek hızlı ağlar için umut verici bir çözüm olmakla birlikte, doğası gereği yayıncı bir yapıya sahiptir ve bu da onu gizli dinlemeye karşı savunmasız kılar. Bu makale, iki meşru kullanıcılı tek giriş tek çıkışlı (SISO) bir yayın ortamında, harici bir gizli dinleyiciye karşı fiziksel katman güvenliğini artırmak için birden fazla güvenilir, işbirlikçi yarı çift yönlü röle düğümü kullanan yeni bir çerçeve önermektedir.

Temel yenilik, üç klasik röleleme stratejisini—İşbirlikçi Girişim (CJ), Çöz ve İlet (DF) ve Yükselt ve İlet (AF)—rölelerde özenle tasarlanmış güvenli hüzme şekillendirme ile entegre etmektedir. Tüm iletimler, LED'lerin doğrusal dinamik aralığına saygı göstermek ve aydınlatma gereksinimlerini karşılamak için genlik kısıtlamalarına tabidir; burada üst üste bindirme kodlaması ile düzgün sinyalleme kullanılır. Analiz, ulaşılabilir gizlilik oranı bölgelerini türetmekte ve röle destekli şemaların doğrudan iletim üzerindeki üstünlüğünü göstermektedir; performans, gizli dinleyicinin konumuna, röle sayısına ve ağ geometrisine büyük ölçüde bağlıdır.

3. Sistem Modeli ve Problem Formülasyonu

3.1. Kanal Modeli ve Varsayımlar

Sistem, bir verici aydınlatma armatürü (Tx), iki meşru alıcı (R1, R2), harici bir gizli dinleyici (Eve) ve N adet güvenilir röle aydınlatma armatüründen oluşmaktadır. Tüm düğümler, bağlantı başına bir SISO sistemi oluşturacak şekilde tek ışık armatürü (çoklu LED'ler) veya tek foto-algılayıcı ile donatılmıştır. VLC kanalı, hem doğrudan görüş hattı (LoS) hem de yayınım bileşenleri dikkate alınarak modellenmiştir. Röleler yarı çift yönlü modda çalışır. Temel bir varsayım, meşru düğümleri içeren tüm bağlantılar için kanal durum bilgisinin (CSI) bilinmesidir; gizli dinleyicinin kanalı kısmen bilinebilir veya bilinmeyebilir, bu da hüzme şekillendirme tasarımını etkiler.

3.2. Genlik Kısıtlamaları ve Sinyalleme

İletilen sinyaller, LED'lerin doğrusal dinamik aralığında çalışmasını ve aydınlatma gereksinimlerini karşılamasını sağlamak için genlik kısıtlıdır, yani $X \in [-A, A]$. Giriş dağılımı, üst üste bindirme kodlaması için bu aralıkta düzgündür. Gizli dinleyiciye karşı $k$ kullanıcısı için gizlilik oranı, $R_{s,k} = [I(X; Y_k) - I(X; Z)]^+$ olarak tanımlanır; burada $I(\cdot;\cdot)$ karşılıklı bilgi, $Y_k$ meşru alıcı $k$'daki sinyal ve $Z$ gizli dinleyicideki sinyaldir. Amaç, aynı anda ulaşılabilir $(R_{s,1}, R_{s,2})$ bölgesini karakterize etmektir.

4. Önerilen Röleleme Şemaları

4.1. İşbirlikçi Girişim (CJ)

Röleler, gizli dinleyicinin kanalını bozmak üzere tasarlanırken meşru alıcılara minimum girişime neden olan yapay gürültü (girişim sinyalleri) iletir. Bu, girişim sinyalinin meşru kanalların sıfır uzayına yansıtıldığı sıfır yönlendirmeli hüzme şekillendirme veya gizlilik oranını en üst düzeye çıkarmak için hüzme şekillendirme vektörlerini optimize ederek başarılır.

4.2. Çöz ve İlet (DF)

Röleler, kaynak mesajını çözer ve iletmeden önce yeniden kodlar. Bu şema, bilgi sızıntısını önlemek için röle-gizli dinleyici bağlantısının röle-meşru kullanıcı bağlantılarından daha zayıf olmasını gerektirir. Gizlilik, rölenin iletilen sinyalin yapısını kontrol etme yeteneğinden yararlanılarak sağlanır.

4.3. Yükselt ve İlet (AF)

Röleler, aldıkları sinyali çözmeden basitçe yükseltir ve iletir. Daha basit olmasına rağmen, gürültüyü de yükseltir. Güvenli hüzme şekillendirme, yükseltilmiş sinyali, meşru alıcıların gizli dinleyiciden daha fazla yararlanacağı şekilde ağırlıklandırmak için burada çok önemlidir.

4.4. Güvenli Hüzme Şekillendirme Tasarımı

Tüm şemalar için, $i$ rölesindeki hüzme şekillendirme vektörleri $\mathbf{w}_i$, aşağıdaki formdaki optimizasyon problemlerini çözmek üzere tasarlanır: $\max_{\mathbf{w}} \min_{k} (\text{SNR}_{R_k}) - \text{SNR}_{Eve}$, $||\mathbf{w}|| \leq P_{relay}$ ve genlik kısıtlamalarına tabidir. Bu maksimum-minimum adil yaklaşım, en kötü meşru bağlantıyı güçlendirirken gizli dinleyicinin bağlantısını bastırmayı amaçlar.

5. Ulaşılabilir Gizlilik Oranı Bölgeleri

Makale, her bir şema için genlik kısıtlamaları altındaki gizlilik kapasite bölgesi için iç sınırları (ulaşılabilir bölgeler) türetmektedir. DF için bölge, gizli mesajlı yayın kanalı ve işbirlikçi bir röle temel alınarak oluşturulmuştur. CJ ve AF için bölgeler, röle işleminin yayın ve çoklu erişim fazlarından gelen karşılıklı bilgi terimlerini birleştiren karmaşık ifadeler içerir. Temel bir bulgu, bu bölgelerin doğrudan iletim bölgesinden kesinlikle daha büyük olduğu ve rölelemenin değerini doğrulamaktadır.

6. Deneysel Sonuçlar ve Performans Değerlendirmesi

Performans, türetilen gizlilik oranı bölgelerinin sayısal simülasyonları ile değerlendirilmiştir. Sunulan temel gözlemler (özet ve girişten çıkarılmıştır):

7. Temel Çıkarımlar ve Özet

8. Orijinal Analiz: Temel Kavrayış ve Eleştiri

Temel Kavrayış: Bu makalenin en önemli katkısı, yalnızca RF'den türetilmiş rölelemeyi VLC'ye uygulamak değil, aynı zamanda VLC'nin benzersiz, ihmal edilemez genlik kısıtlamaları altında tüm fiziksel katman güvenlik problemini titizlikle yeniden formüle etmektir. VLC'yi "ışıklı RF" benzetmesi olarak ele almanın ötesine geçmektedir. Çalışma, optimal güvenlik stratejisinin, basit röle düğümleri sürüsü tarafından yönetilen, geometrik olarak belirlenmiş bir sinyal güçlendirme ve hedefli girişim hibriti olduğunu doğru bir şekilde tespit etmektedir. Bu, Bloch ve diğerlerinin RF için işbirlikçi girişim araştırmalarında görüldüğü gibi, ağ güvenliğinde monolitik şifrelemeden dağıtılmış, fiziksel katman güven mimarilerine kayma eğilimi ile uyumludur [Foundations and Trends in Communications and Information Theory, 2008].

Mantıksal Akış: Mantık sağlamdır: 1) VLC'ye özgü kısıtlı kanal modelini tanımla, 2) Üç kanonik röle protokolünü (CJ, DF, AF) uyarla, 3) Uzamsal serbestlik derecelerinden yararlanmak için hüzme şekillendirmeyi entegre et, 4) Performans metriği olarak ulaşılabilir oran bölgelerini türet, 5) Geometriye bağlı üstünlüğü simülasyonla doğrula. Problem tanımından çözüme ve doğrulamaya kadar olan akış klasik ve etkilidir.

Güçlü ve Zayıf Yönler: Büyük bir güçlü yön, bilgi-teorik güvenliğin yanı sıra pratik kısıtlamaların (genlik sınırları, yarı çift yönlü röleler) bütünsel olarak dikkate alınmasıdır. Birden fazla şema arasındaki karşılaştırma çerçevesi değerlidir. Ancak, analizin dikkate değer kusurları vardır. İlk olarak, güvenilir röleler varsayımına ağırlıkla dayanmaktadır—bu önemli bir dağıtım engelidir. İkinci olarak, gizli dinleyicinin kanalı için CSI varsayımı genellikle gerçekçi değildir; daha sağlam bir tasarım, en kötü durum veya istatistiksel CSI'yi dikkate almalıdır (örneğin, Lorenz ve diğerlerinin IEEE TSP'deki çalışmalarında olduğu gibi). Üçüncü olarak, değerlendirme büyük ölçüde sayısal görünmektedir; çok yollu dağılım, hareketlilik ve ortam ışığı gürültüsü gibi gerçek dünya VLC kanal bozulmaları, gizlilik oranı türetmelerine derinlemesine entegre edilmemiştir ve bu da kazançları abartıyor olabilir.

Uygulanabilir Çıkarımlar: Uygulayıcılar için bu makale net bir plan sunmaktadır: Düşük maliyetli, güvenilir röle aydınlatma armatürlerinden oluşan yoğun bir ağ dağıtmak, VLC güvenliği için uygulanabilir bir yoldur. Anahtar, şunları yapabilen akıllı, uyarlanabilir kontrol yazılımıdır: 1) Düğüm konumlarını tahmin et (görünür ışık konumlandırma gibi tekniklerle), 2) Tahmin edilen tehdit konumuna dayalı olarak gerçek zamanlı olarak optimal röleleme şemasını (CJ/DF/AF) seç, ve 3) İlgili güvenli hüzme şekillendirme vektörlerini hesapla. Bu, "bilişsel güvenli VLC ağları" geleceğine işaret etmektedir. Araştırmacılar, güvenilir röle ve mükemmel CSI varsayımlarını gevşetmeye odaklanmalıdır; belki röleler için blok zinciri tabanlı güven mekanizmaları kullanarak veya kanal belirsizliği altında etkili olan yapay gürültü teknikleri geliştirerek, yapay hızlı sönümleme kullanımı gibi RF'deki çalışmalardan ilham alarak.

9. Teknik Detaylar ve Matematiksel Çerçeve

Temel matematiksel problem, $X \in [-A, A]$ genlik kısıtlaması altında gizlilik oranı bölgesini en üst düzeye çıkarmayı içerir. Gizli dinleyicili bir noktadan noktaya bağlantı için, böyle bir kısıtlama altındaki gizlilik kapasitesi $C_s$ kapalı formda bilinmemekle birlikte alt sınırlanabilir. Düzgün giriş dağılımı ile karşılıklı bilgi $I_{unif}(A; h, \sigma^2)$'dir; burada $h$ kanal kazancı ve $\sigma^2$ gürültü varyansıdır.

Tek röleli CJ şeması için, röledeki iletilen sinyal bir girişim sinyali $J$'dir. Alınan sinyaller şunlardır: $Y_k = h_{t,k}X + h_{r,k}J + n_k$, $Z = h_{t,e}X + h_{r,e}J + n_e$. $J$ için hüzme şekillendirme tasarımı, $|h_{r,e}|$'yi büyük tutarken $|h_{r,k}|$'yi küçük tutmayı amaçlar ve şu şekilde formüle edilir: $\max_{J} \ \min_{k} I(X; Y_k|J) - I(X; Z|J)$, $E[J^2] \leq P_J$ ve $J \in [-A_J, A_J]$ kısıtlamalarına tabidir.

DF yayın röle kanalı için ulaşılabilir bölge, gizli mesajlı yayın kanalları üzerine Liang ve diğerlerinin çalışmasına dayanır ve rölenin çözülmüş mesajını ve genlik kısıtlamalarını içerir.

10. Analiz Çerçevesi: Örnek Vaka Çalışması

Senaryo: 10m x 10m bir ofis odası. Tx tavanda merkezi konumdadır. İki meşru kullanıcı (U1, U2) masalardadır (koordinatlar (2,2) ve (8,8)). Bir gizli dinleyicinin (10,5) koordinatındaki bir pencere yakınında olduğundan şüphelenilmektedir. Dört röle aydınlatma armatürü tavan köşelerine monte edilmiştir.

Analiz Adımları: 1. Kanal Tahmini: Tüm Tx/Röle-Kullanıcı/Eve bağlantıları için DC kazançları $h$ tahmin etmek üzere bir VLC kanal modeli (örneğin, Lambertian modeli) kullan. 2. Tehdit Değerlendirmesi: Doğrudan iletim için potansiyel gizli dinleme oranını hesapla: $R_{eve,dir} = I(X; Z_{dir})$. 3. Şema Simülasyonu: - CJ: Dört röle için, Eve'nin konumunda ((10,5)) güçlü ancak U1 ve U2 konumlarında sıfır/minimum olan bir girişim deseni oluşturacak hüzme şekillendirme vektörlerini tasarla. $\mathbf{w}$ için ilgili optimizasyonu çöz. - DF/AF: Röle-Eve bağlantılarının röle-kullanıcı bağlantılarından daha zayıf olup olmadığını değerlendir. Evetse, DF/AF uygulanabilir olabilir. 4. Performans Karşılaştırması: Toplam güç bütçesi altında doğrudan iletim, CJ, DF ve AF için ulaşılabilir gizlilik oranı çiftlerini $(R_{s,1}, R_{s,2})$ hesapla. 5. Seçim: Gizlilik oranı bölgelerini çiz. Bu geometride, Eve oda kenarına yakın, muhtemelen merkezi Tx'ten uzak ancak bir köşe rölesinin menzilinde olabilir. CJ büyük olasılıkla kazanan olacaktır çünkü röleler, merkezi konumdaki meşru kullanıcılara ciddi zarar vermeden Eve'yi etkili şekilde girişime uğratabilir. Optimal hüzme şekillendirme çözümü, büyük olasılıkla girişim enerjisini pencere alanına yönlendirecektir.

11. Gelecekteki Uygulamalar ve Araştırma Yönleri

12. Referanslar

  1. A. Arafa, E. Panayirci, ve H. V. Poor, "Relay-Aided Secure Broadcasting for Visible Light Communications," arXiv:1809.03479v2 [cs.IT], Oca. 2019.
  2. M. Bloch, J. Barros, M. R. D. Rodrigues, ve S. W. McLaughlin, "Wireless Information-Theoretic Security," Foundations and Trends® in Communications and Information Theory, c. 4, s. 4–5, ss. 265–515, 2008.
  3. L. Yin ve W. O. Popoola, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®," CRC Press, 2019. (VLC kanal modelleri için)
  4. Z. Ding, M. Peng, ve H. V. Poor, "Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems," IEEE Communications Letters, c. 19, s. 8, ss. 1462–1465, Ağu. 2015. (Modern röleleme kavramları için)
  5. Y. S. Shiu, S. Y. Chang, H. C. Wu, S. C. Huang, ve H. H. Chen, "Physical layer security in wireless networks: a tutorial," IEEE Wireless Communications, c. 18, s. 2, ss. 66-74, Nis. 2011.
  6. PureLiFi. "What is LiFi?" [Çevrimiçi]. Erişim: 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.