Röle destekli kablosuz ağlarda fiziksel katman güvenliğinin geliştirilmesi
Physical layer security enhancements on relay assisted wireless networks
Yazar: PARVANEH SHAMS
Danışman: PROF. DR. B. SIDDIK YARMAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güvenlik politikaları = Security policies ; Güvenlik protokolleri = Security protocols ; Güvenlik sistemleri = Security systems ; Güvenlik topluluğu = Security community ; Güvenlik yönetimi = Security management

Özet:
Bu tezde, eş kanallı etkileşimli, tam zamanlı iki yönlü, fırsatçı çoklu erişime sahip bir röle seçim modeli geliştirilimiş ve bunun ileriye doğru etkisi araştırılmıştır. Geliştirilen sistem modeli, S1 ve S2 gibi, iki kaynak terminalinin, sınırlı sayıda eş kanal etkileşimi olması durumunda J sayıda rölenin işbirliği ile iletişim kurması üzerinedir. Ayrıca, modelde yapay/gürültü sinyali, sızıntı bilgisini azaltmak için sınırlı sayıda dostça bozucu tarafından gönderilmektedir. Röle seçim yöntemi, bütün röle terminallerinde minimum sinyal-gürültü oranını maksimize etmeye dayanan max-min tekniğini kullanmaktadır. Modelin simülasyon sonuçları, eş kanal etkileşimi etkisi, servis dışı kalma olasılığı, ulaşılabilir gizlilik oranı, hata olasılığı, güvenılır verim analizi ve kesişim olasılığının performans sınırları ölçmektedir. Buna göre, önerilen model gizlilik oranın es-kanal müdahalesinden nasıl etkilendiği açıklanmaktadır. Ayrıca, analitik ve simülasyon sonuçları arasındaki farklarda belirtilmiştir. Öte yandan, Rayleigh sönümlemeli kanal üzerinde eş- kanal etkileşim etkilerini elde etmek için güvenli olmayan röle bir ağ model önerilmiştir. Bu sistem modelinin performans analiz parametreleri, eş kanal etkileşiminin varlığı ve yokluğu olarak iki şema altında incelenmiştir. Hem röle hem de iki düğümü, fiziksel katman güvenliğini artırmak için sınırlı sayıda eş kanal etkileşim ve dost bozucularla çalışmaktadır. Ek olarak, simülasyon sonuçları eş kanal etkileşimin sistem performansını etkilediği göstermektedir; öyle ki, eş kanal etkileşiminin oldugu durumunda ulaşılabilir gizlilik oranının performansı artığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, yapilan analitik calismada, eş kanal etkileşimin  etkilerini ulaşılabilir çeşitlilik oranını bozduğu ve yüksek SNR rejimlerinde sistem kodlama kazancının kaybına neden olduğunu anlaşılmaktadır. Gürültüsız durumunda, tüm performans eğrilerinin, dostça bozucu ve döngü girişim etkileri nedeniyle yüksek SNR rejimlerinde doyurmak gözlenmiştir. Monte-Carlo simülasyonu ve sayısal sonuçlar ayrıca röle seçim stratejisinin gizlilik elde edilebilir oranı, gizlilik verimi ve kesişme olasılığı açısından sistem gizlilik performansını artırdığını göstermiştir. Ayrıca eş kanallı etkileşimlin varlığının, bilgi alışverişi sürecine egemen olduğu ve bu da yüksek SNR rejimlerinde doymuş performans eğrileriyle sonuçlandığı ve serbest girişim vakalarında sistem kodlama kazanç kayıplarına neden olduğu belirtilmektedir.

Anahtar kelimeler: Fiziksel Katman Güvenliği, Tam Zamanlı İki Yönlü Fırsatçı Röle Ağlar, Max-Min Röle Seçim Tekniği, Sızdırma Oranı, Eş-Kanal Etkileşimleri

Abstract:
This thesis investigates the impact of co-channel interference on two-way untrustworthy relay selection over Rayleigh fading environment. The investigation considers that two source terminals make information exchange over J number of full-duplex based amplify-and-forward bi-directional untrustworthy relay in the presence of co-channel interference. In addition, limited number of friendly jammers generate artificial interference/noise signals to mitigate information leakage. To minimize the system overhead and enhancing secrecy performance, the relay selection is made by means of max-min criteria, which is based on maximizing the minimum secrecy rate over the relay terminals. The system model fundamental performance limits are measured by means of secrecy outage probability, secrecy achievable sum rate, intercept probability, and secrecy throughput analysis metrics. According to Monte-Carlo based simulations and numerical results. the max-min based selection strategy achieves cooperative diversity order, which is equal to total number of possible paths, in high signal-to-noise ratio regimes. Results also show that the co-channel interference dominates the information exchange process and degrades the achievable cooperative diversity order from J to 0 and causes system coding gain losses on free-interference case in high signal-to-noise ratio regimes. It is also observed that under the free-interference case, all the performance curves saturate in high SNR regimes because of the friendly jammer and loop interference effects. Monte-Carlo simulation and numerical results also showed that the relay selection strategy enhances the system secrecy performance in terms of secrecy achievable rate, secrecy throughput, and intercept probability. It is also noted that existence of CCI dominates the information exchange process, which in turn results in saturated performance curves in high SNR regimes and causes system coding gain losses on free-interference case.

Keywords: Physical Layer Security, Full Duplex Two Way Untrustworthy Relay Network, Max-Min Relay Selection Techniques, Rayleigh Fading Channel, Co-Channel inteference