Вероятностный анализ безопасности беспроводной системы связи для канала типа Beaulieu-Xie с затенениями

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе рассмотрена задача анализа безопасного сеанса на физическом уровне беспроводной системы связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала и наличия канала утечки информации. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала Beaulieu-Xie с затенениями. Для описания безопасности процесса передачи информации использовалась такая метрика, как вероятность прерывания безопасного сеанса связи. В рамках исследования было получено аналитическое выражение вероятности прерывания связи. Проведён анализ её поведения в зависимости от характеристик канала и системы связи: среднего значения отношения сигнал-шум в основном канале и канале утечки, эффективного значение показателя потерь на пути распространения сигнала, относительного расстояния между законным приемником и прослушивающим приёмником и пороговой пропускной способности, нормированной на пропускную способность гладкого гауссова канала. Рассмотрены совокупности параметров, которые покрывают важные сценарии функционирования беспроводных систем связи. К ним относятся как глубокие замирания (отвечающие гиперрэлеевскому сценарию), так и малые замирания. Учитываются условия наличия существенной по величине компоненты прямой видимости и значительного количества многопутевых кластеров, затенения доминантной компоненты и многопутевость волн, а также всевозможные промежуточные варианты. Обнаружено, что величина энергетического потенциала, необходимого для гарантированной безопасной связи с заданной скоростью, определяется в первую очередь мощностью многопутевых компонент, а также наличие неснижаемой вероятности прерывания безопасного сеанса связи с ростом для каналов с сильным общим затенением компонент сигнала, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величинам отношения сигнал/шум и скорости передачи данных в прямом канале, обеспечивающим желаемую степень безопасности беспроводного сеанса связи.

Об авторах

А. С Гвоздарев

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: a.gvozdarev@uniyar.ac.ru
улица Советская 14

Т. К Артёмова

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: artemova@uniyar.ac.ru
улица Советская 14

П. Е Патралов

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: p.patralov1@stud.uniyar.ac.ru
улица Советская 14

Д. М Мурин

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Email: d.murin@uniyar.ac.ru
улица Советская 14

Список литературы

  1. Kalyani V.L., Sharma D. IoT: machine to machine (M2M), device to device (D2D) internet of everything (IoE) and human to human (H2H): future of communication // Journal of Management Engineering and Information Technology (JMEIT). 2015. vol. 2. no. 6. pp. 17-23.
  2. Jurgen R.K. (ed.). V2V/V2I communications for improved road safety and efficiency. // SAE International. 2012.
  3. Lai K., Yanushkevich S.N., Shmerko V.P. Intelligent stress monitoring assistant for first responders // IEEE Access. 2021. vol. 9. pp. 25314-25329.
  4. Shrestha R. et al. Evolution of V2X communication and integration of blockchain for security enhancements // Electronics. 2020. vol. 9. no. 9. p. 1338.
  5. Qian Y., Ye F., Chen H.-H. Security in V2X communications // Security in Wireless Communication Networks, IEEE, 2022. pp. 311-331. doi: 10.1002/9781119244400.ch15.
  6. Hasan M. et al. Securing vehicle-to-everything (V2X) communication platforms // IEEE Transactions on Intelligent Vehicles. 2020. vol. 5. no. 4. pp. 693-713. doi: 10.1109/TIV.2020.2987430.
  7. Hamamreh J.M., Furqan H.M., Arslan H. Classifications and applications of physical layer security techniques for confidentiality: a comprehensive survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. vol. 21. no. 2. pp. 1773-1828. doi: 10.1109/COMST.2018.2878035.
  8. Sánchez J.D.V. et al. Survey on physical layer security for 5G wireless networks // Annals of Telecommunications. 2021. vol. 76. no. 3. pp. 155-174.
  9. Wu Y. et al. A survey of physical layer security techniques for 5G wireless networks and challenges ahead // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2018. vol. 36. no. 4. pp. 679-695. doi: 10.1109/JSAC.2018.2825560.
  10. Probability distributions relevant to radiowave propagation modelling // Recommendations ITU-R P.1057-6 (08/2019). URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.1057-6-201908-I!!PDF-E.pdf
  11. Hyadi A., Rezki Z., Alouini M.S. An overview of physical layer security in wireless communication systems with CSIT uncertainty // IEEE Access. 2016. vol. 4. pp. 6121-6132. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2612585.
  12. Li S. et al. Amount of secrecy loss: a novel metric for physical layer security analysis // IEEE Communications Letters. 2020. vol. 24. no. 8. pp. 1626-1630. doi: 10.1109/LCOMM.2020.2995731.
  13. Barros J., Rodrigues M.R.D. Secrecy capacity of wireless channels // 2006 IEEE international symposium on information theory. IEEE. 2006. pp. 356-360. doi: 10.1109/ISIT.2006.261613.
  14. Fadnis C., Katiyar B. Review of higher order statistics for selection combining scheme in Weibull fading channel // 2017 International Conference on Current Trends in Computer, Electrical, Electronics and Communication (CTCEEC). IEEE. 2017. pp. 648-651. doi: 10.1109/CTCEEC.2017.8455182.
  15. Peppas K.P., Nistazakis H.E., Tombras G.S. An overview of the physical insight and the various performance metrics of fading channels in wireless communication systems // Advanced trends in wireless communications. 2011. pp. 1-22. doi: 10.5772/15028.
  16. Olutayo A., Cheng J., Holzman J.F. A new statistical channel model for emerging wireless communication systems // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2020. vol. 1. pp. 916-926. doi: 10.1109/ojcoms.2020.3008161.
  17. Gvozdarev A.S. A novel unified framework for energy-based spectrum sensing analysis in the presence of fading // Sensors. 2022. vol. 22. no. 5. pp. 1742. doi: 10.3390/s22051742.
  18. Olutayo A., Cheng J., Holzman J.F. Performance bounds for diversity receptions over a new fading model with arbitrary branch correlation // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2020. vol. 2020. no. 1. pp. 1-26.
  19. Wyner A.D. The wire-tap channel // Bell system technical journal. 1975. vol. 54. no. 8. pp. 1355-1387. doi: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02040.x.
  20. Liang Y. et al. Information theoretic security // Foundations and Trends in Communications and Information Theory. 2009. vol. 5. no. 4–5. pp. 355-580.
  21. Liu R. Securing wireless communications at the physical layer. New York, NY, USA: Springer, 2010. vol. 7.
  22. Olver F.W.J. et al. NIST digital library of mathematical functions, release 1.0.22. 2019. URL: http://dlmf.nist.gov/ (дата обращения: 1.07.2022).
  23. Beaulieu N.C., Xie J. A novel fading model for channels with multiple dominant specular components // IEEE Wireless Communications Letters. 2014. vol. 4. no. 1. pp. 54-57. doi: 10.1109/LWC.2014.2367501.
  24. Cho Y. S. et al. MIMO-OFDM wireless communications with MATLAB. John Wiley & Sons, 2010.
  25. Li Z. et al. Enhancing indoor mmWave wireless coverage: small-cell densification or reconfigurable intelligent surfaces deployment? // IEEE Wireless Communications Letters. 2021. vol. 10. no. 11. pp. 2547-2551. doi: 10.1109/LWC.2021.3106821.
  26. Gvozdarev A.S., Patralov P.E., Artemova T.K., Murin D.M. Reconfigurable intelligent surfaces’ impact on the physical layer security of the Beaulieu-Xie shadowed fading channel // 2022 International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC). 2022. pp. 1-5.
  27. Bender C.M., Orszag S., Orszag S.A. Advanced mathematical methods for scientists and engineers I: Asymptotic methods and perturbation theory. // Springer Science & Business Media. 1999. vol. 1.
  28. Shannon C.E. Communication theory of secrecy systems // The Bell system technical journal. 1949. vol. 28. no. 4. pp. 656-715.
  29. Frolik J. A case for considering hyper-Rayleigh fading channels // IEEE transactions on wireless communications. 2007. vol. 6. no. 4. pp. 1235-1239. doi: 10.1109/TWC.2007.348319.
  30. Samimi M.K. et al. 28 GHz millimeter-wave ultrawideband small-scale fading models in wireless channels // 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring). IEEE. 2016. pp. 1-6. doi: 10.1109/VTCSpring.2016.7503970.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).