본 논문은 지상 자유공간광통신(Free-space optical, FSO)에서 저궤도(LEO) 위성으로부터 고고도 플랫폼(HAP)으로의 통신을, 도청하는 HAP이 존재하는 환경에서 물리 계층 보안을 분석한다. 기존 연구들은 대체로 합법적 HAP과 도청 HAP에 대해 동일한 채널 통계 특성을 가진다고 가정하는 반면, 합법적 HAP이 더 큰 비율의 광빔 파워를 포착한다고 전제하여 합법적 HAP에 유리한 상황을 가정해 왔다. 본 연구에서는 지향오차(Pointing errors, PEs)가 합법적 HAP 및 도청 HAP에 대한 광빔의 임의 변위를 유발하며, 이 변위가 수신되는 파워를 직접적으로 결정한다는 보다 현실적인 모델을 고려한다. 위성이 두 HAP에 대한 통계적 채널 상태 정보만 이용할 수 있다고 가정할 때, 시스템의 신뢰성과 보안 성능을 특성화하기 위해 연결 단절확률(Connection outage probability, COP)과 비밀 단절확률(Secrecy outage probability, SOP)에 대한 폐형식 표현을 도출한다. COP 및 SOP에 대한 상세한 분석을 통해 빔 발산각(Beam divergence angle, BDA)에서의 근본적인 신뢰성-보안 트레이드오프를 규명한다. 이어서 신뢰성과 보안 제약 조건을 모두 만족하면서 시스템의 보안 처리량(secrecy throughput)을 최대화하기 위해 BDA와 와이어탭 코드 레이트(wiretap code rates)를 공동 최적화하는 최적화 문제를 정식화한다. 이 문제를 해결하기 위해 최적해를 제공하는 알고리즘을 제안하며, 또한 대부분의 실무적 시나리오에서 최적해를 산출하는 저복잡도 알고리즘도 함께 제안한다. 수치 결과는 제안된 알고리즘으로 설계된 시스템이 BDA 최적화를 수행하지 않는 기존 시스템에 비해 보안 처리량이 유의하게 향상됨을 보여준다.

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