Dual Threats in RIS-Aided RF-UOWC Mixed Networks: Secrecy Performance Analysis under Simultaneous RF and UOWC Eavesdropping

تخيل الإنترنت كنهر عملاق غير مرئي من المعلومات يتدفق عبر الهواء وتحت الماء. لعقود من الزمن، اعتمدنا على طريقتين رئيسيتين لنقل هذه البيانات: التردد اللاسلكي (RF)، وهو يشبه موجات الراديو التي تنقل موسيقاك ومكالماتك الهاتفية عبر الجدران وعبر مسافات طويلة، والاتصال اللاسلكي البصري تحت الماء (UOWC)، والذي يستخدم حزم الضوء لإرسال البيانات بسرعة فائقة عبر المحيط. لكن هناك عقبة: تماماً كما يمكن لأي شخص يمتلك راديو التقاط بث إذاعي، وكما يمكن رؤية شعاع المصباح إذا نظرت في الاتجاه الصحيح، فإن هذه الإشارات معرضة لـ "المتنصتين" — المستمعين المتسللين الذين يحاولون سرقة الأسرار.

ولإصلاح ذلك، يجري العلماء تجارب باستخدام أداة عالية التقنية تسمى السطح الذكي القابل لإعادة التشكيل (RIS). فكر في الـ RIS كمرآة ذكية عملاقة مكونة من آلاف البلاطات الصغيرة القابلة للبرمجة. وبدلاً من مجرد عكس الضوء بشكل عشوائي مثل المرآة العادية، يمكن التحكم في هذه المرآة الذكية لثني وتركيز وتوجيه الإشارات بدقة إلى حيث يجب أن تذهب، مما يجعل الإشارة أقوى للصديق المقصود وأضعف لأي شخص يحاول الاستماع. تغوص هذه الورقة البحثية في سيناريو معقد حيث نجمع بين هذين العالمين — الهواء والماء — ونطرح سؤالاً حاسماً: ماذا يحدث إذا حاول جاسوس سرقة الرسالة السرية في نفس الوقت من الجزء الهوائي والجزء المائي من الرحلة؟

قام مؤلفو هذه الورقة، المنشورة في أغسطس قرب 2024، ببناء نموذج رياضي مفصل لمحاكاة سيناريو "التهديد المزدوج" هذا. لقد تخيلوا نظاماً تنتقل فيه رسالة من مصدر إلى مرحل باستخدام موجات الراديو (بمساعدة مرآة ذكية)، ومن ثم من ذلك المرحل إلى وجهة نهائية تحت الماء باستخدام حزم ضوئية (بمساعدة مرآة ذكية أيضاً). وقد اختبروا ثلاثة مواقف محددة: جاسوس يستمع فقط إلى الجزء اللاسلكي، وجاسوس يستمع فقط إلى جزء الضوء تحت الماء، والسيناريو الأكثر خطورة حيث يعمل جاسوسان معاً، أحدهما في الجانب اللاسلكي والآخر في الجانب تحت الماء، لمحاولة سرقة الرسالة في وقت واحد.

باستخدام رياضيات متقدمة، استنتج الباحثون صيغاً جديدة لحساب مدى أمان النظام. لم يكتفوا بالتخمين؛ بل أجروا ملايين عمليات المحاكاة الحاسوبية (المعروفة باسم محاكاة مونت كارلو) للتحقق من مطابقة رياضياتهم للواقع. وتشير نتائجهم إلى أن إضافة المزيد من "البلاطات" إلى المرايا الذكية (تحديداً في المسار الرئيسي) يجعل الاتصال أكثر أماناً بكثير، بينما يجعل وجود المزيد من البلاطات في مرايا الجاسوس من الصعب جداً الحفاظ على الأسرار. كما وجدوا أن نوع الماء مهم: فالمياه المالحة، التي تشتت الضوء بشكل أكبر، تضر بأمان الرابط تحت الماء أكثر من المياه العذبة. ومن المثير للاهتمام، اكتشفوا أن استخدام طريقة كشف محددة تسمى "الكشف الهيتروداين" (والتي تشبه استخدام أذن فائقة الحساسية لسماع الهمس) تعمل بشكل أفضل للأمان من الطريقة القياسية.

ومع ذلك، فإن النتيجة الأكثر لفتاً للنظر تتعلق بالجواسيس. تشير الورقة إلى أن النظام يكون أكثر عرضة للخطر عندما يهاجم العدو الروابط اللاسلكية وتحت المائية في آن واحد. وبينما يمكن للمرايا الذكية تعزيز الأمان بشكل كبير، تشير الدراسة إلى أنه إذا كانت البيئة تحت الماء مضطربة للغاية (بسبب فقاعات الهواء أو تغيرات درجات الحرارة) أو إذا كان لدى الجاسوس خط رؤية واضح جداً، فإن الأمان يمكن أن ينخفض. ويخلص المؤلفون إلى أنه بينما يمثل هذا التهديد المزدوج التحدي الأكبر، فإن استخدام المرايا الذكية في كل من القسمين اللاسلكي وتحت المائي من الشبكة يوفر طريقة واعدة للحفاظ على أمان اتصالات الجيل السادس (6G) المستقبلية، بشرط إدارة البيئة وعدد بلاطات المرآة بعناية.