Analyse der Geheimhaltung in RIS-unterstützten RF-FSO-Systemen

Der Aufstieg von drahtlosen Netzwerken der sechsten Generation (6G) hat neue Ideen zur Bekämpfung von Signalverlusten hervorgebracht. Eine Lösung ist die Nutzung von rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS). Diese Oberflächen können die Richtung der Signale nach Bedarf ändern. Diese Entwicklung verspricht, die Abdeckung zwischen Sender und Empfänger zu erhöhen.

In dieser Diskussion werfen wir einen Blick auf die Sicherheitsaspekte eines Systems, das Radiofrequenz (RF) und Freiraumoptik (FSO) mit RIS-Unterstützung kombiniert. Das ist das erste Mal, dass so eine Analyse durchgeführt wird. Wir konzentrieren uns darauf, wie sichere Nachrichten von einem RF-Sender zu einem FSO-Empfänger über einen Relay gesendet werden. Die RF-Verbindung steht unter einer Bedingung namens Rician Fading, während die FSO-Verbindung mit Turbulenzen und Zeigfehlern zu kämpfen hat. Wir untersuchen drei Szenarien: 1) Abhören der RF-Verbindung, 2) Abhören der FSO-Verbindung und 3) gleichzeitiges Abhören beider Verbindungen. Die Geheimhaltungsleistung wird mithilfe verschiedener Metriken gemessen, und wir werden unsere Ergebnisse mit Simulationen bestätigen.

#Hintergrund

Während wir uns der Einführung der 6G-Drahtloskommunikation nähern, wird die Nutzung von RIS zur Verbesserung drahtloser Kanäle zunehmend ernsthaft in Betracht gezogen. Um eine wirklich intelligente Umgebung zu schaffen, müssen wir die drahtlose Kommunikation effektiv steuern. RIS verwendet passive Komponenten, die so gesteuert werden können, dass sie Signale in bestimmte Richtungen reflektieren.

Gemischte RF-FSO-Systeme gelten als vielversprechende Lösungen für zukünftige drahtlose Netzwerke. FSO-Kommunikation ist bekannt für ihre schnellen Datenübertragungsraten und kann verschiedene Rollen übernehmen, wie zum Beispiel als Backup für Glasfaser oder zur Unterstützung bei Katastrophenhilfe. Allerdings haben diese Systeme mit Problemen wie Zeigfehlern und atmosphärischen Bedingungen zu kämpfen.

Die Kombination von RF- und FSO-Systemen zielt darauf ab, die Stärken beider Technologien zu nutzen. Einige Studien haben gezeigt, wie Faktoren wie Turbulenzen und Pfadverlust diese Systeme beeinflussen. Andere Forschungen konzentrierten sich darauf, die Dual-Hop-Leistung durch Optimierung der Systemparameter zu verbessern. Die meisten aktuellen Studien haben sich auf einzelne RIS-unterstützte Systeme konzentriert, während die Leistung von Systemen, die sowohl RF- als auch FSO-Verbindungen beinhalten, die von RIS bereitgestellt werden, nicht gut erforscht ist.

Drahtlose Kommunikation steht vor ernsthaften Herausforderungen beim Schutz von Informationen. Traditionelle Sicherheitsmassnahmen haben sich auf komplexe Verschlüsselungstechniken verlassen. Neue Methoden, bekannt als Sicherheitsmassnahmen auf physikalischer Ebene (PLS), bieten eine praktische Alternative, um unbefugten Zugriff durch Nutzung der Eigenschaften drahtloser Kanäle zu verhindern. Neueste Forschungen haben sich mit der geheimen Leistung gemischter RF-FSO-Systeme befasst und bestätigt, dass diese Kombination besserer Sicherheit bietet als jede Technologie für sich allein.

#Motivation und Beiträge

Obwohl RIS-unterstützte gemischte RF-FSO-Systeme grosses Potenzial für zukünftige drahtlose Netzwerke haben, wurde nicht viel Forschung auf ihre Fähigkeit zur Wahrung von Geheimhaltung konzentriert. Frühere Studien schauten sich hauptsächlich RF-FSO-Systeme im Allgemeinen an, anstatt die Sicherheitsleistung von RIS-unterstützten RF-FSO-Systemen zu untersuchen. In dieser Diskussion beabsichtigen wir, diese Lücke zu schliessen, indem wir die Geheimhaltungsleistung eines RIS-unterstützten RF-FSO-Systems unter gleichzeitiger Abhörgefahr analysieren.

Besonders interessiert sind wir an einem Rician-Kanal für RF-Verbindungen und einem Málaga-Link für FSO in unserer Analyse. Wir werden verschiedene Leistungsmetriken präsentieren, einschliesslich durchschnittlicher Geheimhaltungs-Kapazität, Geheimhaltungs-Ausfallwahrscheinlichkeit und anderen. Unser Ziel ist es, Einblicke in das Design sicherer RIS-unterstützter Netzwerke zu geben.

#Systemmodell

Wir betrachten ein Dual-Hop RF-FSO-System mit Unterstützung von RIS. In diesem System kommuniziert eine Quelle mit einem Ziel über einen Relay und nutzt RIS, um den Kommunikationsweg zu verbessern. Der Relay nimmt das RF-Signal und wandelt es in ein optisches Signal zur Übertragung an das Ziel um. Während dieses Prozesses könnten Abhörer versuchen, die ausgetauschten Informationen abzufangen.

Wir betrachten drei Szenarien für das Abhören:

• Im ersten Szenario lauscht ein Abhörer der RF-Verbindung.
• Im zweiten Szenario versucht der Abhörer, die FSO-Verbindung abzufangen.
• Im dritten Szenario sind beide Verbindungen gleichzeitig das Ziel.

Dieses Modell geht davon aus, dass Abhörer passiv sind und dass das RIS keine Informationen über ihre Positionen hat.

#Leistungsanalyse

#Durchschnittliche Geheimhaltungs-Kapazität

Die durchschnittliche Geheimhaltungs-Kapazität misst die potenzielle Rate für sichere Datenübertragungen. Wir werden Ausdrücke ableiten, um diese Metrik zu bewerten, ebenso wie die untere Grenze der Geheimhaltungs-Ausfallwahrscheinlichkeit und die strikt positive Geheimhaltungs-Kapazität. Diese Ausdrücke sind entscheidend für das Verständnis der Leistung des Systems unter verschiedenen Bedingungen.

#Untere Grenze der Geheimhaltungs-Ausfallwahrscheinlichkeit

Die untere Grenze der Geheimhaltungs-Ausfallwahrscheinlichkeit zeigt an, wie wahrscheinlich es ist, dass der sichere Kanal ausfällt. Wir leiten Formeln für diese Wahrscheinlichkeit ab, da sie wesentlich für die Bewertung der Sicherheitsleistung des Systems ist.

#Effektiver Geheimhaltungs-Durchsatz

Der effektive Geheimhaltungs-Durchsatz repräsentiert die durchschnittliche Rate, mit der sichere Daten von der Quelle zum Ziel ohne Abfang gesendet werden. Er wird unter Verwendung von Geheimhaltungs-Ausfallwahrscheinlichkeiten und anderen verwandten Metriken berechnet.

#Abfangwahrscheinlichkeit

Die Abfangwahrscheinlichkeit ist die Chance, dass ein Abhörer erfolgreich die übermittelten Daten mithört. Diese Messung hilft zu bestimmen, wie effektiv die im System getroffenen Sicherheitsmassnahmen sind.

#Numerische Ergebnisse

Um unsere analytischen Ergebnisse zu validieren, werden wir numerische Ergebnisse für Geheimhaltungsleistungsindikatoren basierend auf unseren abgeleiteten Formeln bereitstellen. Simulationen unterstützen diese analytischen Ergebnisse, indem sie Zufallsvariablen erzeugen, die die Bedingungen der RF- und FSO-Verbindungen nachahmen.

Wir werden untersuchen, wie Änderungen des durchschnittlichen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) den effektiven Geheimhaltungs-Durchsatz unter verschiedenen Umständen beeinflussen. Wir werden auch verschiedene Parameter vergleichen, wie die Einstellungen des Rician Fadings und der Málaga-Turbulenz, um deren Auswirkungen auf die gesamte Geheimhaltungsleistung zu bewerten.

Unsere Analyse wird zeigen, wie verschiedene Abhörszenarien die Fähigkeit des Systems beeinträchtigen, Geheimhaltung zu wahren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit mehrerer Abhörer die Wirksamkeit der getroffenen Sicherheitsmassnahmen erheblich verringert.

#Fazit

Diese Diskussion bietet eine umfassende Analyse der Geheimhaltungsleistung in einem Dual-Hop-RIS-unterstützten RF-FSO-Kommunikationssystem unter Berücksichtigung von Abhörgefahren. Wir heben wichtige Leistungsmetriken und deren Abhängigkeit von verschiedenen Parametern hervor, wie Fading-Bedingungen und Positionen der Abhörer.

Die Ergebnisse legen nahe, dass die Kombination von RF- und FSO-Technologien, unterstützt durch RIS, die Sicherheit drahtloser Kommunikation verbessern kann. Die Effektivität dieser Verbesserungen kann jedoch stark variieren, abhängig von mehreren Faktoren.

Zukünftige Forschungen könnten die dynamischen Aspekte dieses Systems weiter untersuchen und wie es auf veränderte Bedingungen in realen Umgebungen reagiert. Das Verständnis dieser Interaktionen wird entscheidend für die Entwicklung sicherer Kommunikationssysteme in den kommenden Generationen drahtloser Netzwerke sein.