Physical layer security schemes for wireless communication systems

Abstract

Security in wireless communications has always been a major concern due to the broadcast nature of the radio waves. Apart from the conventional cryptologic methods that are performed in the upper layers, physical-layer security is emerging as a promising paradigm that aims to take advantage of the random propagation characteristics of wireless channels. For the rich multipath environment, we propose a technique that exploits the inter-carrier interference, caused by a carrier frequency offset in OFDM systems, to degrade the performance of eavesdroppers. The proposed technique is based on introducing a controlled interference to pre-compensate the effect of the carrier offset only for the legitimate user in time division duplex systems. Frequency division duplex is a more challenging scenario in terms of security aspects due to the channel state information (CSI) leakage problem. We propose another technique that uses the conventional scheme of performing CSI feedback. We enhance the security of OFDM systems in frequency selective fading channels by using signal space diversity (SSD). By adapting the interleaving pattern used in SSD to the channel response of the legitimate user, more diversity gain is provided to the legitimate user compared to an eavesdropper. The smart adaptation of the interleaving pattern reduces both: the computational complexity and the diversity gain delivered to an eavesdropper compared to the conventional SSD system. For open environment, where scatterers are limited or line-of-sight dominates the communication, we introduce a complementary scheme that uses a multiple antenna technique called directional modulation in a coordinated multi-point system to provide location-specific secure transmission to legitimate users. We characterize the performance achievable using a newly defined metric called clear region. Finally we investigate the effect of the number of antennas and modulation order on the performance.

Radyo dalgalarının havada yayılımından dolayı, kablosuz haberleşmede güvenlik her zaman temel bir sorun olmuştur. Üst katmanlarda uygulanan alışagelmiş kripto yöntemlerinden farklı olarak fiziksel katman güvenliği, kablosuz haberleşme kanallarının rastgele yayılım karakteristiklerinden yararlanmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada, zengin çoklu yol ortamları düşünülerek, gizli dinleyicilerin performanslarını düşürmek amacıyla, OFDM sistemlerindeki taşıyıcı frekans kaymasından kaynaklanan taşıyıcılar arası girişimi kullanan bir teknik sunulmuştur. Bu teknik, zaman bölmeli dubleks sistemlerde sadece meşru kullanıcı için, taşıyıcı kayması etkisini önceden dengeleyen kontrol edilebilir bir girişimin tanıtılmasına dayanmaktadır. Kanal durum bilgisi (CSI) sızma probleminden kaynaklanan güvenlik durumları temel alındığında, frekans bölmeli dubleks yöntemler daha zorlayıcı senaryolardır. CSI geri bildirimini kullanan alışagelmiş şemaları kullanan bir teknik de sunulmuştur. İşaret uzayı çeşitliliği (SSD) kullanılarak frekans seçici sönümlemeli kanallarda OFDM sistemlerinin güvenliği arttırılmıştır. Meşru kullanıcının kanal cevabında SSD için kullanılan serpiştirme örüntüsü uyarlanarak, gizli dinleyicilere kıyasla meşru kullanıcı için daha fazla çeşitlilik kazanılmıştır. Serpiştirme örüntüsünün akıllıca uyarlanmasıyla hesaplama karmaşıklığı ve gizli kullanıcıya ulaştırılan çeşitlilik kazancı bu sayede azaltılmıştır. Yansıtıcıların az ve açık görüş hattının baskın olduğu açık bir çevredeki haberleşme için, çoklu antenlerin kullanıldığı tamamlayıcı bir şema tanıtılmıştır. Koordineli çoklu nokta sistemlerinde yönlü modülasyon olarak adlandırılan bu yöntem, meşru kullanıcılar için konum tabanlı güvenli iletişim sağlamaktadır. Ayrıca, yeni önerilen bir ölçev olan temiz bölge, performans karakteristikleri açısından incelenmiştir. Performans açısından anten sayısının ve modülasyon derecesinin etkileri incelenmiştir.