Analizzando la segretezza nei sistemi RF-FSO supportati da RIS

L'emergere delle reti wireless di sesta generazione (6G) ha portato nuove idee per gestire la perdita di segnale. Una soluzione è l'uso di superfici intelligenti riconfigurabili (RIS). Queste superfici possono cambiare la direzione dei segnali come necessario. Questo sviluppo promette di aumentare l'area di copertura tra il mittente e il ricevitore.

In questa discussione, daremo un'occhiata agli aspetti di sicurezza di un sistema che combina radiofrequenza (RF) e ottica a spazio libero (FSO) con l'assistenza di RIS. È la prima volta che viene effettuata un'analisi di questo tipo. Ci concentreremo su come vengono inviati messaggi sicuri da un trasmettitore RF a un ricevitore FSO tramite un relay. Il collegamento RF affronta una condizione chiamata fading di Rician, mentre il collegamento FSO deve fare i conti con turbolenze ed errori di puntamento. Esamineremo tre scenari: 1) intercettazione del collegamento RF, 2) intercettazione del collegamento FSO e 3) intercettazione di entrambi i collegamenti contemporaneamente. La performance di segretezza sarà misurata usando diverse metriche, e confermeremo i nostri risultati con simulazioni.

#Contesto

Avvicinandoci al dispiegamento delle comunicazioni wireless 6G, l'uso di RIS per migliorare i canali wireless è preso in considerazione in modo più serio. Per creare un ambiente davvero intelligente, dobbiamo avere un controllo efficace sulla comunicazione wireless. RIS utilizza componenti passivi che possono essere gestiti per riflettere segnali in direzioni specifiche.

I sistemi misti RF-FSO sono visti come soluzioni promettenti per le future reti wireless. Le comunicazioni FSO sono conosciute per la loro velocità di trasferimento dati elevata e possono servire vari ruoli, come backup per fibra ottica o supporto nel recupero da disastri. Tuttavia, questi sistemi possono avere problemi come errori di puntamento e condizioni atmosferiche sfavorevoli.

La combinazione di sistemi RF e FSO mira a sfruttare i punti di forza di entrambe le tecnologie. Alcuni studi hanno mostrato come fattori come la turbolenza e la perdita di percorso influenzino questi sistemi. Altre ricerche si sono concentrate sul miglioramento delle performance dual-hop ottimizzando i parametri del sistema. La maggior parte degli studi attuali si è concentrata su sistemi a RIS singolo, ma le performance di sistemi che includono sia collegamenti RF che FSO forniti da RIS non sono ben esplorate.

Le comunicazioni wireless affrontano sfide serie nella protezione delle informazioni. Le misure di sicurezza tradizionali si sono basate su tecniche di crittografia di livello superiore. Nuovi metodi, noti come sicurezza di strato fisico (PLS), presentano un'alternativa pratica per prevenire accessi non autorizzati utilizzando le caratteristiche dei canali wireless. Ricerche recenti si sono concentrate sulla performance di segretezza dei sistemi misti RF-FSO, confermando che questa combinazione offre una maggiore sicurezza rispetto a ciascuna tecnologia da sola.

#Motivazione e Contributi

Anche se i sistemi misti RF-FSO assistiti da RIS hanno un grande potenziale per le future reti wireless, non molta ricerca si è concentrata sulla loro capacità di mantenere la segretezza. Studi precedenti hanno principalmente esaminato i sistemi RF-FSO in generale piuttosto che analizzare la performance di sicurezza dei sistemi RF-FSO assistiti da RIS. In questa discussione, intendiamo colmare questa lacuna analizzando la performance di segretezza di un sistema RF-FSO assistito da RIS sotto intercettazione simultanea.

Siamo particolarmente interessati a un canale di Rician per i collegamenti RF e a un collegamento di Málaga per FSO nella nostra analisi. Presenteremo varie metriche di performance, tra cui capacità media di segretezza, Probabilità di interruzione della segretezza e altre. Il nostro obiettivo è fornire spunti sul design di reti sicure assistite da RIS.

#Modello di Sistema

Stiamo esaminando un sistema dual-hop RF-FSO assistito da RIS. In questo sistema, una sorgente comunica con una destinazione tramite un relay e utilizza RIS per migliorare il percorso di comunicazione. Il relay prende il segnale RF e lo converte in un segnale ottico per la trasmissione alla destinazione. Durante questo processo, gli intercettatori possono cercare di intercettare le informazioni scambiate.

Consideriamo tre scenari di intercettazione:

• Nel primo scenario, un intercettatore ascolta il collegamento RF.
• Nel secondo scenario, l'intercettatore cerca di intercettare il collegamento FSO.
• Nel terzo scenario, entrambi i collegamenti sono presi di mira contemporaneamente.

Questo modello assume che gli intercettatori siano passivi e che il RIS non abbia informazioni sulle loro posizioni.

#Analisi delle Performance

#Capacità Media di Segretezza

La capacità media di segretezza misura il potenziale tasso di trasferimento dati sicuro. Deriveremo espressioni per valutare questa metrica, insieme al limite inferiore della probabilità di interruzione della segretezza e alla Capacità di segretezza positivamente definita. Queste espressioni sono fondamentali per comprendere la performance del sistema in diverse condizioni.

#Limite Inferiore della Probabilità di Interruzione della Segretezza

Il limite inferiore della probabilità di interruzione della segretezza indica quanto sia probabile che il canale sicuro fallisca. Deriviamo formule per questa probabilità poiché è essenziale per valutare la performance di sicurezza del sistema.

#Throughput di Segretezza Effettivo

Il throughput di segretezza effettivo rappresenta il tasso medio con cui i dati sicuri vengono inviati dalla sorgente alla destinazione senza intercettazione. Viene calcolato utilizzando le probabilità di interruzione della segretezza e altre metriche correlate.

#Probabilità di Intercettazione

La probabilità di intercettazione è la possibilità che un intercettatore riesca ad ascoltare con successo i dati trasmessi. Questa misurazione aiuta a determinare l'efficacia delle misure di sicurezza adottate nel sistema.

#Risultati Numerici

Per convalidare i nostri risultati analitici, forniremo risultati numerici per gli indicatori di performance di segretezza basati sulle nostre formule derivate. Le simulazioni supporteranno questi risultati analitici creando variabili casuali per imitare le condizioni dei collegamenti RF e FSO.

Esamineremo come le variazioni nel Rapporto Segnale/Rumore (SNR) influenzino il throughput di segretezza effettivo in diverse circostanze. Confronteremo anche diversi parametri, come le impostazioni del fading di Rician e la turbolenza di Málaga, per valutare il loro impatto sulla performance generale di segretezza.

La nostra analisi dimostrerà come diversi scenari di intercettazione influenzino la capacità del sistema di mantenere la segretezza. I risultati mostrano che la presenza di più intercettatori riduce significativamente l'efficacia delle misure di sicurezza in atto.

#Conclusione

Questa discussione fornisce un'analisi completa della performance di segretezza in un sistema di comunicazione dual-hop RF-FSO assistito da RIS, considerando le minacce di intercettazione. Sottolineiamo metriche di performance importanti e la loro dipendenza da diversi parametri, come le condizioni di fading e le posizioni degli intercettatori.

I risultati suggeriscono che la combinazione di tecnologie RF e FSO, quando assistita da RIS, può migliorare la sicurezza delle comunicazioni wireless. Tuttavia, l'efficacia di questi miglioramenti può variare notevolmente in base a diversi fattori.

Future ricerche potrebbero indagare ulteriormente gli aspetti dinamici di questo sistema e come risponde a condizioni variabili in ambienti reali. Comprendere queste interazioni sarà fondamentale per lo sviluppo di sistemi di comunicazione sicuri nelle prossime generazioni di reti wireless.