23670

امنيت لايه ي فيزيكي به كمك نويز مصنوعي و بر پايه ي همسونهي تداخل در شبكه هاي MIMO Y wiretap

كارشناسي ارشد

مهندسي فناوري اطلاعات - مخابرات امن

1396

96/3/25

دكتر ابوالفضل فلاحتي

مهندسي برق

همسونهي تداخل يك ايده¬ي به نسبت جديد مديريت تداخل است كه بر خلاف روش¬هاي معمول متعامد سازي، به كاربران يك شبكه اجازه مخابره هم¬زمان مي¬دهد و به علت بهينه بودن در درجه آزادي ، در نسبت سيگنال به نويز خيلي بالا مي¬تواند به ظرفيت شبكه نزديك شود. با طراحي صحيح ماتريس¬هاي پيش-كدگذاري مي¬توان تداخل ناشي از همه¬ي كاربران را در يك زيرفضا قرار داد تا سيگنال دل¬خواه بدون تداخل بازسازي شود. از طرفي امنيت لايه¬ي فيزيكي و حفاظت از اطلاعات كاربران همواره از مسائل مهم در شبكه-هاي بيسيم بوده است. هم¬چنين بنابر ماهيت داده¬پراپكني سيستم¬هاي مخابرات بيسيم انتقال قابل اطمينان و امن اطلاعات امري ضروري است، بنابراين حفاظت از اطلاعات در لايه¬ي فيزيكي اهميت بيش¬تري مي¬يابد. اگرچه ايده¬ي همسونهي تداخل به خودي خود به علت شكل¬دهي پرتو توانايي اعمال امنيت به شبكه¬ را دارا است اما در صورت حضور يك شنودگر با تعداد آنتن بيشتر از كاربران يك شبكه و يا در حضور يك اخلال-گر امنيت اطلاعات زير سوال مي¬رود. به منظور اعمال امنيت در شبكه¬هاي مبتني بر همسونهي تداخل در حضور يك شنودگر، سه روش كلي پيشنهاد شده است كه عبارتند از صفر اجباري اطلاعات در شنودگر، استفاده از يك اخلال¬گر خودي و استفاده از نويز مصنوعي. روش اول مستلزم داشتن كانال بين كاربران و شنودگر است؛ در روش دوم ماتريس-هاي پيش¬كدگذاري طوري طراحي مي¬شوند كه سيگنال¬هاي اخلال¬گر در زيرفضاي تداخلي گيرنده¬هاي خودي قرار بگيرند در حالي كه اين سيگنال¬ها براي شنودگر با سيگنال¬هاي اصلي ادغام شده است؛ در روش نويز مصنوعي هر يك از كاربران علاوه بر داده¬ي اصلي يك جريان داده¬ي ديگر را هم ارسال مي¬كنند. در اين پايان¬نامه به بررسي امنيت لايه¬ي فيزيكي با استفاده از نويز مصنوعي در يك شبكه¬ي كاربره¬ي MIMO Y مبتني بر همسونهي تداخل در حضور يك شنودگر چندآنتني مي¬پردازيم. ابتدا حالت هاي مختلف شنودگر را بر اساس توانايي دريافت اطلاعات بررسي كرده و ماتريس¬هاي پيش¬كدگذاري طوري طراحي مي-شوند كه نويزمصنوعي مجموع كاربران در يك زيرفضا در رله قرار گيرد در حالي¬كه براي شنودگر اين نويز و تداخل كاربران با هم ادغام مي¬شود. درجه آزادي امن كاربران به منظور يك معيار سنجش امنيت در سيستم-هاي مبتني بر همسونهي تداخل محاسبه مي¬شود، بر اساس روش ارائه شده درجه آزادي امن كل سيستم نه تنها در همه¬ي موارد مثبت است بلكه وابسته به پارامتر تعداد آنتن¬هاي شنودگر نيست، اين بدان معناست كه درجه آزادي شنودگر برابر صفر است و شنودگر فارغ از هر تعداد آنتن قادر به دريافت اطلاعات شبكه نيست.

1399/12/06

Artificial Noise Aided Physical Layer Security Based on Interference Alignment in MIMO Y Wiretap Networks

1/1/1900 12:00:00 AM

Due to the broadcast nature of wireless channel, wireless communication systems are vulnerable to physical layer attacks such as jamming and eavesdropping. In this thesis a physical layer security scheme is proposed to preserve information confidentiality in the system. The secure degrees of freedom (SDoF) of a K-user MIMO Y channel in the presence of a single eavesdropper with E antennas is also studied in ths thesis. There exist K legitimate users and an intermediate AF relay equipped with N antennas, each user is equipped with M antennas and intends to convey K-1 independent signals through the relay. In order to weaken the performance of the eavesdropper, each user transmits an extra data stream as the artificial noise (AN) at the multiple access phase (MAC), while the relay broadcasts the amplified signals at the broadcast phase (BC). Interference alignment techniques is deployed to exploit inter-user interference cancelation at the BC phase and to bring an alternative security layer similar to a one-time-pad cryptography via the ait, to the system. It is first assumed that the eavesdropper is only capable to tap the confidential signals at the BC phase, this model is called BWC model and then, a more practical scenario is considered where the eavesdropper is able to receive the signals at both phases, this model is called MBWC model. For both models the SDoF of the system is deduced as 𝐾min{𝑀,𝑁} which excludes E and indicates that in this scheme the eavesdropper has zero degrees of freedom at high SNRs. Simulation results have been provided to evaluate the efficiency of the information theoretical results of the proposed algorithm.

امنيت لايه ي فيزيكي , همسونهي تداخل , نويز مصنوعي , درجه آزادي امن , كانال وايرتپ