Efficient techniques for securing wireless communications systems
Authors: Καράς Δημήτριος 
Published: September 2021

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και σχεδίαση συστημάτων ασφάλειας ασύρματων επικοινωνιών φυσικού επιπέδου, η οποία χρησιμοποιεί στοιχεία του καναλιού, όπως ο θόρυβος και οι διαλείψεις πολλαπλών οδεύσεων, έτσι ώστε να επιτευχθεί ασφαλής επικοινωνία. Αρχικά γίνεται μελέτη και αξιολόγηση των επιπτώσεων της αβεβαιότητας όσον αφορά τη θέση του υποκλοπέα στην ασφάλεια φυσικού επιπέδου σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Συγκεκριμένα, εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής ασφαλούς επικοινωνίας, καθώς και μια απλοποιημένη έκφραση για την περίπτωση της μετάδοσης στο κενό. Έπειτα, μέσα από αριθμητικά αποτελέσματα, εξετάζεται και ποσοτικοποιείται η επίπτωση κάθε παραμέτρου του συστήματος στην επίδοση ασφαλείας του συστήματος. Έπειτα, εξετάζεται η επίδραση των παρεμβολών στην πιθανότητα επίτευξης ασφαλούς επικοινωνίας. Εξετάζεται ένα σύστημα όπου ένας σταθμός βάσης επιχειρεί να επικοινωνήσει με ασφάλεια με κάποιο χρήστη υπό την παρουσία υποκλοπέα, ενώ υπάρχουν άλλοι σταθμοί βάσης που δημιουργούν παρεμβολές στο σήμα που λαμβάνεται απ’ τους χρήστες. Εξάγονται εκφράσεις κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής ασφαλούς επικοινωνίας, και εξάγονται συμπεράσματα για τη συμπεριφορά του συστήματος μέσα από αριθμητικά αποτελέσματα. Στη συνέχεια, προτείνονται κάποιες τεχνικές ανταλλαγής κλειδιού φυσικού επιπέδου, δηλαδή τεχνικές που χρησιμοποιούν χαρακτηριστικά του καναλιού μετάδοσης έτσι ώστε να λάβουν το ίδιο κλειδί δύο πομποδέκτες που επιθυμούν να επικοινωνήσουν με ασφάλεια. Οι τεχνικές που παρουσιάζονται σ’ αυτό το κεφάλαιο χρησιμοποιούν τη χρονική έκφραση των διαλείψεων πολλαπλών οδεύσεων. Συγκεκριμένα, οι δύο πομποδέκτες στέλνουν πιλοτικά σήματα ίδιας ισχύος ο ένας στον άλλον, και με βάση αυτά υπολογίζουν τη χρονική απόκριση του καναλιού, και παράγουν ο καθένας μια σειρά από bits μέσω μιας διαδικασίας κατωφλίωσης. Σύμφωνα με την αρχή της αμοιβαιότητας, αυτές οι σειρές θα είναι παρόμοιες μεταξύ τους, αλλά χρειάζεται μια μέθοδος διόρθωσης των ασυμφωνιών που ενδέχεται να υπάρχουν. Γι’ αυτό το σκοπό, προτείνονται δύο μέθοδοι. Η πρώτη είναι η μέθοδος νευρωνικού δικτύου, η οποία χρησιμοποιεί ένα νευρωνικό δίκτυο που έχει σκοπό, χρησιμοποιώντας κατάλληλο σύνολο εκπαίδευσης, να τροποποιήσει το κλειδί του δέκτη κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να ταυτιστεί μ’ αυτό του πομπού. Η δεύτερη είναι η μέθοδος μπλοκ κωδίκων, στην οποία χρησιμοποιείται ένας κώδικας διόρθωσης σφαλμάτων έτσι ώστε να διορθώσει τις ασυμφωνίες. Πάνω σ’ αυτήν, προτείνεται μια βελτίωση, η οποία αυξάνει κατά κάποιες τάξεις μεγέθους την απαιτούμενη πολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης απ’ τον υποκλοπέα. Τέλος, γίνεται μελέτη και αξιολόγηση της επίδοσης των κωδίκων πόλωσης για κανάλια αναμεταδοτών. Συγκεκριμένα, προτείνεται μια μέθοδος ανίχνευσης λανθασμένης αποκωδικοποίησης, στην οποία ο πομπός μεταδίδει το σήμα στον αναμεταδότη και στο δέκτη, και αν ο αναμεταδότης κρίνει ότι το αποτέλεσμα της αποκωδικοποίησης της πληροφορίας του είναι εσφαλμένο, τότε δεν κάνει αναμετάδοση, και ο δέκτης χρησιμοποιεί μόνο την πληροφορία απ’ το απευθείας κανάλι για να ανακατασκευάσει το αρχικό μήνυμα. Αλλιώς, χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός της πληροφορίας απ’ το απευθείας κανάλι και το κανάλι του αναμεταδότη. Εξάγεται μια ανισότητα που πρέπει να ισχύει έτσι ώστε να είναι αποτελεσματική αυτή η μέθοδος, και τα αποτελέσματα επαληθεύονται μέσα από προσομοιώσεις. Εξετάζεται και η επέκταση αυτής της μεθόδου σε συστήματα πολλαπλών αναμεταδοτών.