Avanzando en la Seguridad de los Sistemas de Comunicación Subacuática
Este artículo habla sobre la recolección de energía y la seguridad en redes de comunicación submarinas.
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Tabla de contenidos
En tiempos recientes, la tecnología de comunicación ha avanzado rapidísimo, permitiendo una mejor conexión entre personas y sistemas. A medida que nos acercamos a la quinta generación (5G) de redes celulares, los investigadores ya están mirando hacia los sistemas de la próxima generación (6G). Uno de los aspectos clave de 6G será qué tan eficientemente podemos usar tanto la energía como el espectro disponible para la comunicación.
La Recolección de energía es un enfoque prometedor para mejorar la eficiencia energética en redes de comunicación inalámbricas. Permite a los dispositivos recolectar energía de su entorno, haciéndolos menos dependientes de las baterías tradicionales. Esto puede resolver muchos desafíos que enfrentan los sistemas alimentados por baterías convencionales, especialmente en áreas remotas donde las fuentes de energía son limitadas.
Un área específica de interés es el uso de la recolección de energía en sistemas de comunicación mixtos que combinan la comunicación óptica submarina (UOWC) y enlaces de radiofrecuencia (RF). Estos sistemas pueden ser útiles para aplicaciones como la exploración oceánica, el monitoreo climático y la protección ambiental. Sin embargo, también enfrentan desafíos de seguridad, especialmente con los espías intentando interceptar información sensible.
Resumen del Sistema
El sistema propuesto consiste en varios componentes:
- Fuente Submarina: Aquí se genera la información sensible. Transmite datos a un destino utilizando un enlace óptico.
- Nodo Repetidor: Actúa como intermediario entre la fuente y el destino. Puede convertir las señales ópticas en señales eléctricas. Además, utiliza energía recolectada del entorno para alimentar sus operaciones.
- Nodo de Destino: Aquí es donde se pretende recibir la información.
- Espías: Son entidades no autorizadas que intentan escuchar la comunicación entre la fuente y el destino.
La comunicación ocurre en dos etapas. Inicialmente, la fuente submarina envía información a través del enlace UOWC al nodo repetidor. Luego, el nodo repetidor transmite esta información al destino utilizando RF.
Enlaces de Comunicación
La comunicación ocurre a través de dos tipos principales de enlaces:
Enlace UOWC: Este enlace opera bajo el agua y se ve afectado por varios factores como la claridad del agua, la temperatura y la salinidad. Estos factores pueden causar interferencias o distorsiones en las señales ópticas que se transmiten.
Enlace RF: Este enlace opera encima del agua y puede experimentar desvanecimiento, que es una forma de interferencia que ocurre debido a factores ambientales.
Ambos enlaces trabajan juntos para asegurar que la información se transmita de manera eficiente desde la fuente hasta el destino.
Escenarios de Intercepción
Los espías pueden intentar interceptar comunicaciones de dos maneras principales:
Espías Coludidos: En este escenario, múltiples espías trabajan juntos para combinar sus recursos y decodificar la información transmitida. Este trabajo en equipo les permite ser más efectivos en robar datos sensibles.
Espías No Coludidos: Aquí, cada espía actúa de manera independiente. Intentan decodificar las señales por su cuenta sin compartir información entre ellos. Aunque esto puede parecer menos amenazante, aún puede representar un riesgo para la seguridad de la comunicación.
Métricas Clave de Rendimiento
Para evaluar el rendimiento y la seguridad del sistema, utilizamos varias métricas clave:
Probabilidad de Falla de Secreto (SOP): Mide la probabilidad de que el sistema no logre mantener un enlace de comunicación seguro. Un SOP más bajo indica mejor seguridad.
Capacidad de Secreto Estrictamente Positiva (SPSC): Esta métrica indica la máxima cantidad de información segura que se puede enviar sin ser interceptada. Un valor más alto es mejor.
Rendimiento de Secreto Efectivo (EST): Representa la cantidad real de datos seguros que se pueden transmitir con éxito. Un EST más alto es deseable.
Recolección de Energía
El nodo repetidor es capaz de recolectar energía del entorno circundante. Esta energía puede provenir de varias fuentes, como:
- Señales de radiofrecuencia de otros dispositivos.
- Fuentes de energía ambiental, como solar o eólica.
Esta energía ayuda al nodo repetidor a operar sin depender exclusivamente de baterías, haciéndolo adecuado para operaciones a largo plazo en áreas remotas donde los reemplazos de baterías regulares pueden ser difíciles.
Impactos en la Seguridad
La seguridad general del sistema de comunicación se ve afectada por varios factores:
Condiciones Ambientales: La calidad del agua, la temperatura y la salinidad pueden impactar el rendimiento del enlace UOWC. Las malas condiciones pueden reducir la claridad de la comunicación, aumentando las posibilidades de interceptación por parte de los espías.
Técnicas de Detección: Los métodos utilizados para detectar e interpretar señales también pueden influir en la seguridad. Métodos de detección avanzados pueden ayudar a mejorar la capacidad de secreto y reducir las posibilidades de espionaje.
Técnicas de Diversidad: Utilizar múltiples antenas en los nodos de destino y repetidor puede mejorar la capacidad del sistema para mantener una comunicación segura. Esta diversidad ayuda a superar problemas de calidad de señal.
Número de Espías: Cuantos más espías haya presentes, mayor será el riesgo de que se intercepte información sensible. Los espías coludidos representan una amenaza mayor que los no coludidos ya que pueden compartir información y mejorar sus capacidades de decodificación.
Análisis Numérico
Se pueden realizar simulaciones numéricas para evaluar qué tan bien funciona el sistema bajo diferentes condiciones. Ajustando parámetros como la calidad del agua, la cantidad de espías y la eficiencia de la recolección de energía, podemos analizar cómo estos factores influyen en las métricas de seguridad.
Impacto de las Condiciones Ambientales
La claridad del entorno submarino afecta significativamente el rendimiento del SOP. Aumentos en los niveles de burbujas de aire o gradientes de temperatura más altos pueden distorsionar las señales, haciéndolas más difíciles de detectar correctamente.
Burbujas de Aire: Niveles más altos de burbujas de aire pueden reducir la efectividad de la comunicación óptica.
Variaciones de Temperatura: Las fluctuaciones en la temperatura también pueden crear turbulencia en el agua, afectando cómo viajan las señales.
En ambos escenarios, mejores técnicas de detección (como la detección por heterodino) ayudan a mejorar la seguridad de la transmisión de datos.
Análisis del Impacto de Espías
La presencia de espías impacta significativamente el sistema. A medida que aumenta la cantidad de espías, la probabilidad de una interceptación exitosa también aumenta. En escenarios con espías coludidos, el nivel de amenaza es mucho mayor, ya que pueden trabajar juntos para decodificar los mensajes de manera más eficiente.
Por el contrario, en el caso de espías no coludidos, cada uno opera de manera independiente, y aunque aún pueden representar un riesgo, el nivel de amenaza general es comparativamente más bajo.
Beneficios de la Recolección de Energía
Implementar tecnología de recolección de energía en esta red de comunicación proporciona varios beneficios:
Menor Dependencia de Baterías: Los dispositivos pueden operar durante períodos más largos sin necesidad de reemplazar baterías, lo cual es especialmente ventajoso para aplicaciones remotas.
Sostenibilidad: Recolectar energía del entorno hace que el sistema sea más sostenible, ya que reduce la dependencia de fuentes de energía tradicionales.
Mejor Rendimiento: Con una mayor disponibilidad de energía, el nodo repetidor puede funcionar mejor, lo que potencialmente lleva a mejores resultados de seguridad.
Conclusiones
A medida que las redes de comunicación continúan evolucionando, integrar tecnologías de recolección de energía puede mejorar significativamente su rendimiento. En redes mixtas UOWC-RF, asegurar la seguridad de la información sensible es crítico. Entender cómo factores como el comportamiento de los espías, las condiciones ambientales y las técnicas de detección afectan la seguridad ayuda a construir mejores sistemas.
La investigación futura debería centrarse en desarrollar modelos más robustos que consideren varios escenarios del mundo real, lo que podría llevar incluso a mayores avances en sistemas de comunicación seguros.
Título: Secrecy Outage Analysis of Energy Harvesting Relay-based Mixed UOWC-RF Network with Multiple Eavesdroppers
Resumen: This work deals with the physical layer security performance of a dual-hop underwater optical communication (UOWC)-radio frequency (RF) network under the intruding attempts of multiple eavesdroppers via RF links. The intermediate decode and forward relay node between the underwater source and the destination transforms the optical signal into electrical form and re-transmits it to the destination node with the help of harvested energy by the relay from an integrated power beacon within the system. The source-to-relay link (UOWC) follows a mixture exponential generalized Gamma turbulence with pointing error impairments whereas all the remaining links (RF) undergo $\kappa-\mu$ shadowed fading. With regards to the types of intruders, herein two scenarios are considered, i.e., colluding (\textit{Scenario-I}) and non-colluding (\textit{Scenario-II}) eavesdroppers and the analytical expressions of secure outage probability, probability of strictly positive secrecy capacity, and effective secrecy throughput are derived in closed form for each scenario. Furthermore, the impacts of UOWC and RF channel parameters as well as detection techniques on secrecy capacity are demonstrated, and following this a comparison between the two considered scenarios is demonstrated that reveals the collusion between the eavesdroppers imposes the most harmful threat on secrecy throughput but a better secrecy level can be attained adopting diversity at the destination and power beacon nodes along with heterodyne detection rather than intensity modulation and direct detection technique. Finally, all the derived expressions are corroborated via Monte Carlo simulations.
Autores: Moloy Kumar Ghosh, Milton Kumar Kundu, Md Ibrahim, A. S. M. Badrudduza, Md. Shamim Anower, Imran Shafique Ansari, Ali A. Shaikhi, Mohammed A. Mohandes
Última actualización: 2023-02-20 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2302.10257
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2302.10257
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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