Ασφάλεια Φυσικού Επιπέδου Για Ασύρματα Δίκτυα 5G

Abstract

Στις μέρες μας η μετάβαση από τη βιομηχανική κοινωνία στην κοινωνία της πληροφορίας πραγματοποιείται μέσα από τη ραγδαία εξέλιξη των νέων τεχνολογιών πληροφορίας και τηλεπικοινωνίας. Η προστασία των δεδομένων και η παροχή ποιοτικών υπηρεσιών αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά που αναζητούνται από τους νόμιμους χρήστες στα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, ώστε να προστατεύονται από τους κακόβουλους χρήστες (υποκλοπείς). Η εύκολη παρεμβολή και η εκπομπή σε όποιον χρήστη έχει πρόσβαση σε μέσο διάδοσης αποδεικνύουν το γεγονός ότι τα ασύρματα δίκτυα είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε θέματα ασφάλειας. Η ασφάλεια της μετάδοσης της πληροφορίας βασίζεται στην κρυπτογράφηση, η οποία τροποποιεί το μεταδιδόμενο σήμα με ένα τρόπο όπου αν ο υποκλοπέας δεν γνωρίζει πως να το αποκωδικοποιήσει δεν θα τα καταφέρει, διότι η μέθοδος της κρυπτογράφησης βασίζεται στην χρήση ενός μυστικού κλειδιού που γνωρίζουν μόνο οι νόμιμοι χρήστες. Τα προβλήματα που προκύπτουν σε αυτή τη μέθοδο είναι για το πώς θα γίνει η ανταλλαγή του μυστικού κλειδιού με ασφαλή τρόπο. Επίσης, ένα ακόμα σημαντικό πρόβλημα είναι στην μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα για τους νόμιμους χρήστες που είναι κοστοβόρα και στο γεγονός ότι τα συστήματα είναι ευάλωτα στα είδη επιθέσεων ασύρματων καναλιών. Στην εργασία αυτή αναπτύχθηκε μία μέθοδος ενίσχυσης της ασφαλούς μετάδοσης της πληροφορίας αξιοποιώντας τα χαρακτηριστικά της τεχνικής Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Ένα σύμβολο OFDM περιλαμβάνει τους πιλοτικούς υποφορείς, που είναι απαραίτητοι για τη διαδικασία εκτίμησης του ασύρματου καναλιού με βάση την πληροφορία που μεταφέρουν οι πιλοτικοί υποφορείς, η οποία εκτελείται στο νόμιμο δέκτη. Προτείνεται οι θέσεις των πιλοτικών υποφορέων να αλλάζουν σε κάθε OFDM σύμβολο ακολουθώντας μία συγκεκριμένη κατανομή πιθανότητας που είναι γνωστή μόνο στο νόμιμο πομπό και δέκτη. Οπότε, ο υποκλοπέας εκτελεί «τυφλή» εκτίμηση του ασύρματου καναλιού που είναι λιγότερη αποτελεσματική σε σύγκριση με την εκτίμηση του ασύρματου καναλιού με την χρήση πιλοτικών υποφορέων. Οι προσομοιώσεις εκτελέστηκαν με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος MATLAB, με σκοπό την εξαγωγή αποτελεσμάτων για το νόμιμο δέκτη σε σχέση με τον τον 6 δέκτη του ωτακουστή. Στις προσομοιώσεις έγινε χρήση των διαμορφώσεων QPSK και 16- QAM για την άντληση των αποτελεσμάτων σε διάφορες ταχύτητες των κινητών συσκευών, ώστε να έχουμε καλύτερα συμπεράσματα για το πως επηρεάζεται ο ρυθμός εσφαλμένων bit (Bit Error Rate, BER) και τo μέσο τετραγωνικό σφάλμα της εκτίμησης του ασύρματου καναλιού (channel mean square error) στο νόμιμο δέκτη και τον δέκτη του ωτακουστή (υποκλοπέας) σε σχέση με την μεταβολή του σηματοθορυβικού λόγου. Οι δύο κινητές συσκευές κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση με ταχύτητα 20 km/h ή 40 km/h ή 80 km/h.

Nowadays, the transition from the industrial society to the information society takes place through the rapid development of new information and telecommunication technologies. Data security and the provision of quality services are key features sought by legitimate users in modern telecommunication networks, in order to protect them from malicious users (interceptors). Potential interception and broadcast to any user with access to a wireless medium indicates that wireless networks are particularly susceptible to security issues. The security of the transmission of information is usually based on encryption, which modifies the transmitted signal in a way that if the eavesdropper does not know how to decrypt/decode it, he will not succeed, because the method of encryption is based on the use of a secret key that only the legitimate users know. A problem that arises in this method is how to exchange the secret key in a secure way. A second issue is the high computational complexity for encryption and decryption for legitimate users which is costly. A third issue is the fact that the legitimate users are vulnerable to varioustypes of wireless channel attacks. In this M.Sc. thesis, a method of secure information transmission is developed utilizing the characteristics of the OFDM technique (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). An OFDM symbol includes the pilot subcarriers, which are necessary for the pilot channel estimation process performed at the legitimate receiver. For the presented work it is assumed that the subcarrier positions change in each OFDM symbol according to the probability distribution function (PDF) known only to the legitimate transmitter and receiver and thus the eavesdropper performs “blind” channel estimation which is less efficient compared to the pilot channel estimation. The simulations for the legitimate receiver in relation to the eavesdropper are performed using the MATLAB. For the simulations QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) and 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulations schemes are used to extract the results at various speeds of the mobile devices (legitimate receiver and eavesdropper). The simulation results show how the Bit Error Rate (BER) and the root mean square error (rms) of the wireless channel estimation at the legitimate receiver and the eavesdropper change versus the signal-to-noise ratio (SNR). In the simulations it is considered that the two wireless devices travel to the same direction with velocities 20, 40 and 80 km/h.