Signal processing techniques for security enhancement of wireless networks at the physical layer

Abstract

Broadcast nature of wireless communications enables reaching multiple parties simultaneously. However, due to this property, the security of information trans- mission is prone to eavesdropping of unauthorized receivers. Efforts to keep information secret from malicious eavesdroppers started long before radio com- munications. Many methods have been developed such as high-layer encryption of the data using secret keys shared between users and stenography i.e. water- marking, which are used in wireless communications as well. On top of all of these protection schemes, system designers envision to use the properties of the wireless communications, such as, fading, noise and interference to enhance security at the physical layer. Such methods are termed as physical layer security. Physical layer security has been conventionally addressed from an information-theoretic viewpoint and has been extended by signal processing techniques. In this context, this dissertation presents signal processing algorithms that aim to secure the communications of two of the dominant wireless systems, namely, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems and Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Motivated by this objective, chapter 2 studies a secure pilot-based channel estimation technique called pilot manipulation in OFDM systems. Particularly, we propose two novel algorithms, which manipulate pilot tones according to legitimate channels' phase and amplitude characteristics. Both algorithms decrease the channel estimation quality of the eavesdropper considerably, while the amplitude based algorithm provides high quality reception at the legitimate receiver. We provide resulting pilot error rates of the proposed algorithms. In addition, we show the effect of threshold selection to channel estimation quality both at the legitimate receiver and eavesdropper. Considering multiple antenna systems, chapter 3 examines Multiple-Input Single-Output (MISO) wiretap channels with antenna subset activation. In this protocol, a randomly selected subset of transmit antennas is chosen for location-based secure communications in fading channels. For an active antenna set, the transmitted data signal is precoded at each transmit antenna as a function of the channel response between the corresponding transmit antenna of the transmitter and the receive antenna of the legitimate receiver. Two techniques for channel-based precoding of the data signals are proposed. For both precoders, we derive closed-form expressions for the average minimum guaranteed secrecy rate and the probability of non-zero minimum guaranteed secrecy rate in Rayleigh fading channels. Moreover, a detailed comparison between the secrecy performance of the proposed precoders is given. It is revealed that the ratio between the number of active antennas and the total number of antennas at Alice, i.e., the thinning ratio, plays a vital role in the secrecy performance of the proposed methods. Finally, in chapter 4, we propose and analyze randomized beamforming with generalized selection transmission (RBF/GST) to enhance physical layer security in MISO wiretap channels. With GST, Q antennas out of N antennas are selected at the transmitter to maximize the output signal to noise ratio at the legitimate receiver. Moreover, RBF is responsible for delivering secure communications in the presence of advanced eavesdroppers. We first examine the secrecy performance of GST by deriving the closed-form expressions for the exact and asymptotic secrecy outage probability. To further boost secrecy performance of GST, we adopt RBF/GST and derive the ergodic secrecy rate in closed-form. We demonstrate that RBF/GST can effectively improve communication secrecy in block fading channels with a reasonable cost in terms of the amount of required signal processing, hardware complexity and power consumption.

Kablosuz haberleşmede yayın doğası gereği aynı anda birden fazla tarafa ulaşmayı sağlar. Bu özelliğ nedeniyle, bilgi aktarımının güvenliği, yetkisiz alıcıların dinlenmesine meyillidir. Kötü amaçlı dinleyicilerden bilginin gizli tutulma çabaları, radyo iletişimi öncesinde başlamıştı. Kullanıcılar arasında paylaşılan gizli anahtarları ve kablosuz iletişimde de kullanılan stenografi yani filigran yöntemini kullanarak verilerin üst katmanlı şifrelenmesi gibi pek çok yöntem geliştirilmiştir. Sistem tasarımcıları, tüm bu koruma şemalarının üzerine, fiziksel katmandaki güvenliği artırmak için sönümleme, gürültü ve parazit gibi kablosuz iletişim etkilerini kullanmayı düşünüyorlar. Bu yöntemlere fiziksel katman güvenliği denir. Fiziksel katman güvenliği geleneksel olarak bir bilgi kurmaı açısından ele alınmış ve sinyal işleme teknikleri ile genişletilmiştir. Bu bağlamda, bu tez, baskın kablosuz sistemlerin, yani Dikey Frekans Bölmeli çoğullama (OFDM) sistemlerinin ve çok Girişli çoklu Çıkış (MIMO) sistemlerinin iletişimini sağlamayı amaçlayan sinyal işleme algoritmalarını sunmaktadır. Bölüm 2, bu amaçla motive edilen, OFDM sistemlerinde pilot manipülasyon denilen güvenli bir pilot tabanlı kanal tahmini tekniğini inceler. özellikle, iki yeni algoritma öneriyoruz, bu algoritmalar pilot tonları meşru kanalların faz ve genlik özelliklerine göre manipüle ediyor. Her iki algoritma, dinleyicinin kanal tahmini kalitesini önemli ölçüde düşürürken, genlik tabanlı algoritma, meşru alıcıda yüksek kalitede alım almasını sağlar. önerilen algoritmaların elde edilen pilot hata oranları sonuç olarak verilmektedir. Buna ek olarak, eşik seçiminin kanal algılama kalitesine olan etkisini hem meşru alıcı hem de dinleyicilerde göstermektedir. Birden fazla anten sistemi göz önüne alındığında, bölüm 3, anten alt kümesinin etkinleştirilmesi ile birlikte çok Girişli Tek çıkışlı (MISO) telsiz hatlarını inceler. Bu protokolde, rastgele seçilmiş bir iletim antenleri alt kümesi, solma kanallarındaki konuma dayalı güvenli iletişim için seçilmiştir. Aktif bir anten seti için, aktarılan veri sinyali, vericinin ilgili gönderici anteniyle meşru alıcının alıcı anteni arasındaki kanal tepkisinin bir fonksiyonu olarak her bir verici anteninde önceden kodlanır. Veri sinyallerinin kanal tabanlı ön kodlaması için iki teknik önerilmiştir. Her iki ön-kodlayıcı için de, ortalama minimum garanti güvencesi oranı için kapalı form ifadeleri ve Rayleigh sönümleme kanallarında sıfır olmayan asgari garantili gizlilik oranının olasılığı türetilir. Dahası, önerilen ön-kodlayıcıların gizlilik performansı arasında ayrıntılı bir karşılaştırma verilmiştir. Aktif antenlerin sayısı ile Alice'teki toplam anten sayısı arasındaki oranın, yani inceltme oranının, önerilen yöntemlerin gizlilik performansında hayati bir rol oynadığı ortaya çıkmaktadır. Son olarak, 4. bölöm, MISO telefon dinleme kanallarındaki fiziksel katman güvenliğini arttırmak için raslantısal hüzme oluşturma işlemini genelleştirilmiş seçim iletimiyle (RBF/GST) önererek alaniz etmektedir. GST ile, meşru alıcıdaki çıkış sinyalinin gürültüye oranını en üst düzeye çıkarmak için vericide N antenden Q anten seçilir. üstelik, RBF, gelişmiş dinlemcilerin varlığında güvenli iletişim sunmaktadır. İlk olarak, gizli ve asimtotik gizlilik kesilmesi ihtimali için kapalı form ifadelerimiz aracılığıyla GST'nin fiziksel katman gizliliğini karakterize etmekteyiz. GST'nin gizlilik performansını daha da artırmak için RBF/GST'yi kabul ederek, ergodik gizlilik oranını kapalı formda türetilir. Gerekli sinyal işleme, donanım karmaşıklığı ve güç tüketimi açısından mantıklı bir maliyetle blok sönümleme kanallarında RBF/GST'nin iletişim gizliliğini etkin bir şekilde artırabileceğini gösterilmektedir.