Multiple Antenna Based Phyical Layer Security Wireless Systems

Abstract

In the last decade, the demand for wireless services increases at unprecedented rates. Due to the inherent open nature of radio propagation, wireless transmission is vulnerable to various attacks despite its popularity. Therefore, communication security in wireless networks is becoming more critical than ever. Conventionally, cryptographic techniques are deployed on upper layers of network protocols as a solution. As a complement to the traditional cryptographic techniques, physical layer (PHY) security exploits the characteristics of wireless channels to enable secure wireless communications. The aim is to limit the amount of information that can be extracted by any unauthorized users via utilizing inherent randomness of noise and communication channels. The design of PHY security schemes is not based on the premise that eavesdropper has limited computational power contrary to upper layer secrecy techniques. In fact, the eavesdropper may have infinite computational power. Nevertheless, secure communication can be achieved by the combination of appropriate coding and transmit precoding design with the usage of available channel state information. PHY security methods can work independently from upper layer encryption techniques. Thus, PHY security techniques can be used to leverage the secrecy of already existing communication systems. In this thesis, PHY security enhancement mechanisms, especially in multiuser multiple antenna systems with a limited feedback link are investigated. Four different system models under secrecy consideration with different channel conditions including quasi-static fading channels, temporally correlated fading channels are presented. In order to disrupt the reception of any potential eavesdropper, artificial noise (AN) beamforming scheme is employed. The effects of lack of perfect channel state information (CSI) at the transmitter and the AN leakage that is caused by limited CSIT are analyzed. The thesis proposes a reduction in feedback load using receiver side selection criterion with special codebook design and appropriate beamforming. Our approach is capable of enhancing the security of wireless communications by selecting the users with favorable channel conditions and quantizing channel direction information (CDI) by a special codebook. Also, inter-user interference is utilized as a jamming method when eavesdropper’s CSI unknown by the transmitter. Simulation results demonstrate the feasibility of the proposed PHY security mechanisms by examining the achievable secrecy rates.

Son on yılda, kablosuz hizmetler için talep benzeri görülmemiş oranlarda artmaktadır. Günümüzde kablosuz iletişim hayatımızın ayrılmaz bir parçasıdır. Kablosuz iletim popülaritesine rağmen telsiz yayılımının doğası gereği saldırılara karşı savunmasızdır. Bu nedenle, kablosuz ağlarda iletişim güvenliği her zamankinden daha kritik hale gelmektedir. Geleneksel olarak, şifreleme teknikleri ağ protokollerinin üst katmanlarında güvenlik amacıyla kullanılır. Geleneksel şifreleme tekniklerine bir tamamlayıcı olarak fiziksel katman güvenliği, kablosuz iletişimin güvenliğini sağlamak için kablosuz kanalların rastlantısallık özelliklerini kullanır. Amaç, gizli dinleyicilerin ele geçirebileceği bilgi miktarını iletişim kanallarına özgü rastlantısallığı kullanarak sınırlamaktır. Fiziksel katman güvenliği tasarımı, üst katmanlardaki güvenlik tekniklerinin aksine gizli dinleyicinin sınırlı hesaplama gücüne sahip olduğu öncülüne dayanmamaktadır. Aksine, gizli dinleyici sonsuz bir hesaplama gücüne sahip olabilir. Güvenli iletişim uygun kod kitapçığı hüzmeleyici tasarımı ve ayrıca mevcut kanal durumu bilgisinin kullanımı ile sağlanabilir. Fiziksel katman güvenlik yöntemleri, üst katman şifreleme tekniklerinden bağımsız olarak çalışabilir. Böylelikle, mevcut iletişim sistemlerinin gizliliğini arttırmak için fiziksel katman güvenlik teknikleri kullanılabilir. Bu tezde, özellikle sınırlı geri bildirimli çok kullanıcılı çoklu antenli sistemlerde fiziksel katman güvenlik geliştirme mekanizmaları incelenmiştir. Durağan ve zamanla ilintili sönümlü kanallar gibi farklı kanal koşullarına sahip gizlilik kaygısı altında çalışan dört farklı sistem modeli incelenmiştir. Herhangi bir potansiyel gizli dinleyicinin algısını bozmak için yapay gürültü hüzlemeyicisi kullanılmıştır. Vericinin mükemmel kanal durum bilgisine sahip olamamasının ve sınırlı kanal durum bilgisinin neden olduğu yapay gürültü sızıntısının etkileri analiz edilmiştir. Tez, özel kod kitapçığı tasarımı ve uygun hüzmeleyici ile birlikte alıcı tarafında seç imkriterini kullanarak geri besleme yükünde bir azalma önermektedir. Yaklaşımımız, uygun kanal koşullarına sahip kullanıcıları seçerek ve kanal yönü bilgilerini özel bir kod kitapçığıyla nicemleyerek kablosuz iletişim güvenliğini güçlendirebilmektedir. Ayrıca, verici tarafında gizli dinleyicinin kanalı bilinmediğinden, kullanıcılar arası girişim bir güvenlik önlemi olarak kullanılmıştır. Benzetim çalışmaları sonuçları, erişilebilir güvenlik kapasitelerini inceleyerek önerilen fiziksel güvenlik mekanizmalarının uygulanabilirliğini göstermektedir.