26724

منيت لايه فيزيكي در سيستم هاي بيسيم مبتني بر سطوح بازتابي هوشمند در حضور شنودگرفعال تمام دوسويه

كارشناسي ارشد

مهندسي برق مخابرات-امن و رمزنگاري

1398

1401/2/27

دكترسيد محمد رضوي زاده

برق

سطوح بازتابي هوشمند توانايي كنترل زاويه ي بازتاب امواج الكترومغناطيسي تابيده به آن ها را داشته و امكان متمركز نمودن امواج بازتابي به سمت نقطه هاي معين را ميسر مي سازند. بنابراين اين سطوح منجر به شكل گيري يك ارتباط بهتر بين فرستنده و گيرنده با افزايش سطح توان سيگنال دريافتي ميشوند. همچنين مسئله امنيت يكي از مسائل حياتي در شبكه هاي بي سيم نسل جديد است و به اين منظور امنيت لايه فيزيكي شبكه هاي بي سيم مطرح مي شود، كه به دليل قابل آشكارسازي نبودن و مقرون به صرفه بودن، به منظور بهبود امنيت، مورد مطالعه و استفاده قرار مي-گيرد. ارتباط تمام دوسويه يكي ديگر از نوآوري هاي حوزه ارتباطات بي سيم است كه مي تواند بازدهي طيفي را براي هردو عمل ارسال و دريافت دو برابركند. در اين پايان نامه به بررسي عملكرد يك سيستم بيسيم، متشكل از يك ايستگاه پايه، يك گيرنده قانوني و يك سطح بازتابي هوشمند در حضور يك مهاجم فعال تمام دوسويه پرداخته شده است. مسئله بهينه سازي با متغيرهاي بردارهاي شكل دهي پرتو ارسالي و عناصر بازتابنده سطح بازتابي هوشمند به منظور بيشينه كردن نرخ محرمانگي كاربر تشكيل شده است. به منظور حل مسئله بهينه سازي نامحدب حاصل، با كمك الگوريتم تناوبي، دو زير مسئله شكلدهي پرتوفعال و غيرفعال تشكيل داده شده است. ابتدا در زير مسئله اول، مقادير بهينه بردارهاي شكلدهي پرتو ارسالي، با ثابت فرض كردن مقادير عناصر بازتابنده IRS و سپس در زير مسئله دوم مقادير بهينه ي فازهاي عناصر بازتابنده IRS، با ثابت فرض كردن مقادير بردارهاي شكل دهي پرتو ارسالي، محاسبه شده و هركدام از آنها بااستفاده از يك تقريب محدب جايگزين شده اند. عملكرد سيستم در شبيه سازي ها با دو معيار، وجود يا عدم وجود جمر و تغيير تعداد آنتن هاي مهاجم فعال مقايسه شده است. نتايج به دست آمده حاكي از آن است كه در شبكه هاي بيسيم مبتني بر سطوح بازتابي هوشمند، با افزايش تعداد عناصر بازتابنده ي سطوح بازتابي هوشمند نرخ محرمانگي به دليل افزايش تعداد پارامترهاي بهينه سازي شيفت فازهاي IRS، افزايش ميابد. با تغييرتعداد عناصر بازتابنده IRS از 9 به 25 نرخ امنيت حدود 28 درصد افزايش يافته است. همچنين افزايش تعداد آنتن هاي ايستگاه پايه، امكان شكلدهي پرتو بهتر در ايستگاه پايه را افزايش ميدهد، به همين دليل نرخ محرمانگي با افزايش تعداد آنتن ها از 2 به 4 حدود 35 درصد افزايش يافته است. افزايش توان ايستگاه پايه، تاثير شكلدهي پرتو در توان دريافتي كاربر و IRS را افزايش ميدهد، كه اين امر منجر به افزايش نرخ محرمانگي شده است. با مقايسه نتايج كمي شبيه سازي ها مشاهده مي شود كه با افزايش توان از 10dBm به15dBm نرخ امنيت حدود 27 درصد افزايش يافته است. نكته ديگري كه از اين شبيه سازي ها قابل استنباط است، تاثير افزايش تعداد آنتن هاي شنودگر بر روي كاهش نرخ محرمانگي است. درصد كاهش نرخ محرمانگي با توجه به شرايط مختلف، متفاوت است.

1401/04/18

Physical Layer Security in IRS-based Wireless Network in the Presence of Full-Duplex Active Eavesdropping

5/17/2023 12:00:00 AM

Intelligent reflective surfaces (IRSs) can control the angle of reflection of electromagnetic waves colliding with them and allow them to be concentrated towards specific points. Therefore, these surfaces lead to better communication between the transmitter and receiver by increasing the power level of the received signal. Also, the issue of security is one of the vital issues in the next generation of wireless networks. The security of physical layer of wireless networks is proposed which can be a complement to encryption methods in upper layers to improve security, be studied and put to use. Full-Duplex communication is another innovation in wireless communication that can double the spectral efficiency for both sending and receiving operations. In this thesis examines the performance of a wireless system consisting of a base station, a legitimate receiver, and an intelligent reflectance surface in the presence of a full-duplex active attacker. Our objective is to maximize the secrecy rate by jointly optimizing the active and passive beamformers at the base station and IRS, respectively. The optimization problem is non-convex and hence, it is solved by decomposing into two disjoint active and passive beamforming desing sub problems and then iteratively solved them by alternating technique. Simulation results demonstrate the effectiveness. The results demonstrate that in wireless networks based on intelligent reflectance surface, the secrecy rate increases with increasing the number of reflective elements of intelligent reflectance surfaces, base station power and the number of base station antennas.

شبكه هاي بيسيم , امنيت لايه فيزيكي , سطوح بازتابي هوشمند , مهاجم فعال , نرخ محرمانگي

wireless networks , physical layer security , Intelligent Reflecting Surfaces , active attacker , secrecy rate

Atefeh Zakeri

Dr. S. Mohammad Razavizadeh