25160

كنترل خطا و بهبود امنيت لايه فيزيكي شبكه‌هاي مخابراتي بي‌سيم با تأكيد بر روش‌هاي مشبكه

دكتري

مهندسي برق- مخابرات سيستم

1394-1399

1399/10/18

جناب آقاي دكتر ابوالفضل فلاحتي

مهندسي برق

شبكه‌هاي مخابرات بي‌سيم علي‌رغم مزاياي مهمي نظير پيكربندي، انعطاف‌پذيري و قابليت تحرك، داراي آسيب‌پذيري ذاتي در برابر دو چالش اساسي يعني تداخلات هم‌باند و شنودگرهاي غيرمجاز هستند. تداخلات هم‌باند منتج به تنزل عملكرد كنترل خطا و شنودگرها نيز باعث از دست رفتن محرمانگي پيام‌ها در شبكه‌هاي مخابرات بي‌سيم خواهند شد. راهكارهايي موثر از چند دهه قبل تا به امروز براي مقابله با اين دو چالش مطرح و مورد استفاده قرار گرفته است. جهت كنترل خطا مي‌توان به راهكارهايي نظير كاهش سطح موثر تداخل و استفاده از كدگذاري كانال اشاره كرد. از طرف ديگر بهبود امنيت لايه فيزيكي نيز با راهكارهاي گوناگوني از جمله جمينگ همكارانه يا نويز مصنوعي قابل تحقق است. استفاده از دنباله‌هاي محرمانه از پيش‌توزيع شده به عنوان يكي از راهكارهاي موثر جهت كاهش سطح تداخل در روش‌هاي طيف گسترده و از طرف ديگر جهت ايجاد سيگنال جمينگ همكارانه يا نويز مصنوعي جهت بهبود امنيت لايه فيزيكي كاربرد دارد. مشخصاً هر يك از اين راهكارها با وجود تأثير به‌سزا، هزينه‌هايي با خود به همراه دارد كه مي‌تواند منجر به كاهش كارايي سيستم مخابراتي گردد. به‌عنوان مثال، استفاده از روش‌هاي طيف گسترده يا كدگذاري كانال تا حد زيادي به بهبود كنترل خطا كمك خواهد كرد، اما باعث كاهش كارايي طيفي سيستم خواهد شد. از طرف ديگر استفاده از روش‌هاي مبتني بر جمينگ همكارانه يا نويز مصنوعي نيز نيازمند اختصاص بخشي از توان فرستنده به ايجاد و ارسال سيگنالي است كه هيچگونه اطلاعاتي با خود به همراه ندارد و مي‌تواند به كاهش نرخ ارسال داده، مخصوصا در شرايطي كه نسبت سيگنال به نويز داراي سطح پاييني است، منتج گردد. در اين رساله راهكارهايي مبتني بر استفاده از دنباله و رازهاي از پيش‌توزيع شده جهت كنترل خطا و بهبود امنيت لايه فيزيكي مطرح خواهد شد. با توجه به اينكه مشبكه (لتيس)‌ قابليت‌هاي مناسبي را جهت بيان ويژگي‌هاي كدهاي بلوكي-خطي در فضاي اقليدسي و همچنين امكان ايجاد كدگذاري كانال ساختاريافته از نقطه‌نظر نظريه اطلاعات ايجاد مي‌كند، تاكيد اصلي اين رساله بر استفاده از مشبكه است. روش‌هايي جهت كنترل خطا در سيستم‌هاي طيف گسترده دنباله مستقيم همراه با كدگذاري كانال مشبكه معرفي و با روش‌هاي مشابه قياس مي‌گردد. از طرفي با تكيه بر تعاريف اساسي امنيت لايه فيزيكي از نقطه‌نظر نظريه اطلاعات، چندين راهكار در سيستم‌هاي تك آنتني و چند آنتني براي بهبود امنيت لايه فيزيكي مطرح مي‌گردد كه تحت شرايطي خاص، مزايايي نسبت به روش‌هاي مشابه جمينگ همكارانه و يا نويز مصنوعي خواهد داشت. نتايج اين رساله بر پايه تحليل رياضي و شبيه‌سازي كامپيوتري بيان مي‌گردد.

1400/06/09

Error Control and Physical Layer Security Enhancement in Wireless Communication Networks with Emphasis on Employing Lattice Structures

1/1/1900 12:00:00 AM

Despite their significant benefits and flexibility, wireless communication networks are subject to two major intrinsic vulnerabilities, namely co-band interference and unauthorized eavesdropping. Co-band interference can result in degradation of error-control performance while eavesdroppers are able to challenge the confidentiality of transferred messages through the wireless network. Since past decades, numerous methods have been introduced to counter these two vulnerabilities, some of which are spread spectrum, cooperative jamming and artificial noise. Pre-shared confidential sequences can be employed to reduce the effects of co-band interference in spread spectrum techniques. On the other hand, these sequences can also be used to improve the physical layer security via methods such as cooperative jamming or artificial noise. While these methods can enhance error performance and physical layer security, they can impose major costs on the communication system. For instance, spread spectrum requires large amount of bandwidth resource which results in degradation of spectral efficiency, or cooperative jamming needs transmission power share between data and jamming signals, which is a major constraint in low signal to noise ratio regimes. In this thesis, some approaches are introduced to improve the error performance and physical layer security which use pre-shared confidential sequences. As lattices can provide appropriate frameworks to define linear-block codes and structural codes in Euclidean space regarding information theoretic principles, this thesis emphasizes on using lattice channel coding. Novel error control methods are introduced based on using confidential sequences over direct sequence spread spectrum besides lattice channel coding. On the other hand, lattice-based approaches for single and multiple antenna systems are proposed to enhance the physical layer security. The presented methods are compared with previous studies such as cooperative jamming or artificial noise and their possible benefits and costs are discussed. The presented analysis is based on mathematical relations and computer simulation verifications.

شبكه هاي مخابراتي بيسيم , كنترل خطا , امنيت لايه فيزيكي , كدگذاري كانال , طيف گسترده دنباله مستقيم , كدگذاري مشبكه

Wireless Communication Networks , Error Control , Physical Layer Security , Channel Coding , Direct Sequence Spread Spectrum , Lattice Coding