20734

۲۰۷۳۴

طرحي براي انتقال محرمانه اطلاعات در لايه فيزيكي در سامانه هاي رله MIMO

كارشناسي ارشد

مهندسي فناوري اطلاعات - مخابرات امن

۱۳۹۵-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۳/۱۹

دكتر ابوالفضل فلاحتي

برق

پژوهش پيش رو، طرحي امن و مقاوم در سطح لايه فيزيكي را ارائه مي‌دهد كه به كمك آن مي‌توان سيگنال‌هاي پيام را در يك سامانه رله چندين ورودي – چندين خروجي يك‌طرفه دو پرشي، به‌صورت محرمانه مخابره نمود. اين طرح بر اساس چهار شيوه مختلف بناشده است كه به ترتيب شامل پنجره كردن رله، انتخاب آنتن ارسال دوگانه، به اشتراك‌گذاري راز و رمزنگاري در لايه فيزيكي مي‌باشند. مطابق شيوه پنجره كردن رله، فرستنده دو رله را از بين رله‌هاي موجود كه بيشترين سطح SNR را تحويل مي دهند انتخاب نموده و در قالب دو اسلات زماني عمود بر هم، يك بلوك اصلي داده k بيتي را كه از قبل با توجه به شيوه به اشتراك گذاري راز به دو بخش تقسيم شده به سمت رله ها مخابره مي كند. رله‌هاي انتخابي نيز بعد از اينكه اطلاعات مربوط به خود را با كمك رمزنگاري ورنام رمز كردند، اطلاعات رمز شده را در قالب دو اسلات زماني عمود بر هم به سمت مقصد ارسال مي نمايند. بنابراين در پرش اول و در قالب دو اسلات زماني، سيگنال حاوي پيام به رله ها و در پرش دوم و در قالب دو اسلات زماني ديگر، سيگنال پيام به سمت مقصد مخابره مي‌گردد. به طور كلي، طرح انتقال سيگنال در هر دو پرش براساس طرح انتخاب آنتن ارسال يگانه/ گيرنده تركيب نرخ حداكثر (TAS/MRC) مي‌باشد. اما به طور خاص، بجاي ارسال با يك آنتن از دو آنتن به طور هم زمان براي ارسال يك سيگنال حامل استفاده مي‌شود. به همين دليل گيرنده MRC كه در اين پژوهش مطرح مي‌شود بر مبناي ارسال با دو آنتن طراحي مي‌گردد. در نتيجه، طرح انتقالي كه در اين پژوهش به كار گرفته مي‌شود را مي‌توان به صورت انتخاب آنتن ارسال دوگانه/ گيرنده تركيب كننده نرخ حداكثر با انتخاب آنتن دريافت دوگانه (DTAS/DRAS-MRC) مطرح كرد. ضمناً در بدترين سناريو فرض مي‌شود شنودگر نيز به اين شيوه انتقال مجهز است. براي تجزيه‌وتحليل عملكرد محرمانگي سامانه، هركدام از شيوه‌هاي مذكور به‌طور دقيق از ديدگاه محرمانگي داده‌ها ارزيابي مي‌گردند.همچنين به منظور اينكه عملكرد محرمانگي سامانه به‌طور دقيق نشان داده شود، عملكرد محرمانگي در گره مقصد و گره رله‌ها به طور جداگانه بررسي مي‌شود. درنهايت، ارزيابي‌هاي محرمانگي سامانه در قالب متريك احتمال قطع محرمانگي و به‌صورت عبارات بسته رياضي و همچنين تحليل هاي مفهومي ارائه خواهد شد. در ضمن، به دليل اينكه اطلاعات حالت كانالي كه در اختيار فرستنده است عملاً منسوخ است، در تمام شبيه‌سازي‌ها و تئوري‌هاي صورت گرفته در اين پژوهش، اطلاعات حالت كانال كامل نيست. تحليل‌هاي تئوري و نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه شيوه پنجره كردن رله منجر به كاهش مقدار احتمال قطع محرمانگي در گره رله‌ها شده و درنتيجه، مخابره پيام در كانال ارتباطي مابين فرستنده منبع و رله‌هاي انتخاب‌شده به‌صورت محرمانه صورت مي‌پذيرد. اين تحليل‌ها ثابت مي‌كنند كه هرچقدر تعداد رله‌هاي سامانه افزايش يابد، محرمانگي اطلاعات بهتر حفظ خواهد شد. از طرفي ديگر، درصورتي‌كه شنودگر از به‌كارگيري شيوه انتخاب آنتن ارسال دوگانه مطلع نباشد، نتايج ثابت مي‌كنند كه عملكرد محرمانگي سامانه قانوني بهبود مي‌يابد. زيرا شنودگر به گيرنده MRC مجهز خواهد شد كه بر مبناي يك آنتن ارسال كار مي كند، در نتيجه شنودگر در مقايسه با گيرنده قانوني، دچار افت سطح SNR در گيرنده خود مي‌شود. همچنين تحليل‌هاي مفهومي مشخص مي‌كند كه شيوه به اشتراك‌گذاري راز به دليل تفكيك اطلاعات ارسالي از يكديگر، منجر به مقاوم شدن سامانه در برابر حملاتي همچون جستجوي جامع در رله‌ها و مقصد مي‌گردد. درنهايت، رمزنگاري در لايه فيزيكي به كمك رمزنگاري ورنام باعث حفظ محرمانگي در كانال مابين رله‌هاي انتخابي و گيرنده مقصد خواهد شد. واژگان كليدي – رمزنگاري، اطلاعات حالت كانال منسوخ‌شده، امنيت لايه فيزيكي، متريك احتمال قطع محرمانگي، گيرنده MRC، انتخاب آنتن ارسال

1398/04/02

A Confidential Information Transmission Scheme for MIMO Relay Systems over Physical Layer

6/23/2019 12:00:00 AM

This thesis presents a robust secure scheme which is implemented in physical layer, by means of which message signals are confidentially transmitted in dual-hop MIMO one-way relay-based communication systems. This scheme is based on four techniques, namely Relay Windowing (RW), Double Transmit Antenna Selection (DTAS), Secret Sharing (SS), and Physical Layer-Based Encryption (PLBE), respectively. According to RW technique, the source transmitter selects two relays which can result in the maximum amount of SNR level amongst all the relays. Then, during two orthogonal time slots, the transmitter sends a k-bit original data block, having previously been split into two sub blocks by means of SS technique, to the selected relays. The selected relays, after that they separately encrypt their data through Vernam cipher, send the ciphered data to the destination during two other orthogonal time slots. Thus, in the first hop and during the first two time slots, the message signal is sent to the relays and in the second hop and during the second two time slots, the message data is sent to the destination. The transmission scheme in each hop is conducted based on TAS/MRC scheme in general. However, in particular, in replace of using one antenna to send the carrier wave, two antennas are applied to send the single RF chain. Consequently, the MRC receiver having been used in this thesis, is designed based on double transmit antennas. As a result, the transmission scheme which is conducted in this thesis, is named “DTAS/DRAS-MRC” which is completely described in the following chapters. Additionally, based on the worst case scenario, it is assumed that the passive eavesdropper is also equipped to this transmission scheme. To analyze the secrecy performance of the system, each of the above-mentioned techniques are thoroughly evaluated from a data confidentiality viewpoint. Furthermore, to effectively demonstrate the confidentiality performance of the system, the secrecy performance is evaluated both at the destination and the relays nodes. As a result, the secrecy evaluations are presented through the secrecy outage probability metric (SOP), which is shown in mathematical closed form expressions, as well as conceptual analyses. Moreover, since in practical applications, channel state information (CSI) tends to be outdated due to the channel feedback delay, all the simulations of the following article are conducted with outdated CSIs. Theoretical analyses and simulation results demonstrate that RW technique leads to a SOP reduction at the relays node. As a result, the data confidentiality in the channels between the source transmitter and the selected relays is preserved. These analyses prove that the more the relays number increases, the better the data confidentiality is preserved. On the other hand, if the eavesdropper does not know about using DTAS technique, the results prove that the secrecy performance of the legitimate system improves. This is because the SNR value of the eavesdropper receiver as compared to that of the legitimate receiver, decreases, since the passive eavesdropper applies the MRC receiver working with one transmit antenna. Furthermore, security analyses demonstrate that SS technique due to data transmission separation, results in the system robustness in front of such attacks as brute force at both the relays and the destination nodes. Finally, by Vernam cipher, PLBE technique leads to data confidentiality preserving in the channels between the selected relays and the destination. Keywords – Encryption, Outdated Channel State Information, Physical Layer Security, Secrecy Outage Probability, MRC Receiver, Transmit Antenna Selection