The Statistical Analysis of the Security for a Wireless Communication System with a Beaulieu-Xie Shadowed Fading Model Channel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper considers the problem of a wireless communication system’s physical level security for a multipath signal propagation channel and the presence of a wiretap channel. To generalize the propagation effects, the Beaulieu-Xie shadowed channel model was assumed. To describe the security of the information transfer process, such a metric as the secure outage probability of was considered. An analytical expression of the secure outage probability was obtained and analyzed depending on the characteristics of the channel and the communication system: the average value of the signal-to-noise ratio in the main channel and the wiretap channel, the effective path-loss exponent, the relative distance between the legitimate receiver and the wiretap and the threshold bandwidth, normalized to the bandwidth of a smooth Gaussian channel. The analysis considers the sets of parameters that cover all practically important scenarios for the functioning of a wireless communication systems: both deep fading (corresponding to the hyper-Rayleigh scenario) and small fading, both in the case of a significant line-of-sight component and a significant number of multipath clusters, and with significant shadowing of the dominant component and a small number of multipath waves, as well as all intermediate options. It is found out that the value of the energy requirements for guaranteed secure communication at a given speed is determined primarily by the power of multipath components, as well as the existence of an irreducible secure outage probability of a communication session with an increase for channels with strong overall shadowing of the signal components, which from a practical point of view is important to take into account when imposing requirements for the values of the signal-to-noise ratio and the data transfer rate in the direct channel, providing the desired degree of security of the wireless communication session.

About the authors

A. S Gvozdarev

P.G. Demidov Yaroslavl State University

Email: a.gvozdarev@uniyar.ac.ru
Sovetskaya St. 14

T. K Artemova

P.G. Demidov Yaroslavl State University

Email: artemova@uniyar.ac.ru
Sovetskaya St. 14

P. E Patralov

P.G. Demidov Yaroslavl State University

Email: p.patralov1@stud.uniyar.ac.ru
Sovetskaya St. 14

D. M Murin

P.G. Demidov Yaroslavl State University

Email: d.murin@uniyar.ac.ru
Sovetskaya St. 14

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».