Physical layer security solutions against passive and colluding eavesdroppers in large wireless networks and impulsive noise environments

Atallah, Michael (2019). Physical layer security solutions against passive and colluding eavesdroppers in large wireless networks and impulsive noise environments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Wireless networks have experienced rapid evolutions toward sustainability, scalability and interoperability. The digital economy is driven by future networked societies to a more holistic community of intelligent infrastructures and connected services for a more sustainable and smarter society. Furthermore, an enormous amount of sensitive and confidential information, e.g., medical records, electronic media, financial data, and customer files, is transmitted via wireless channels. The implementation of higher layer key distribution and management was challenged by the emergence of these new advanced systems. In order to resist various malicious abuses and security attacks, physical layer security (PLS) has become an appealing alternative. The basic concept behind PLS is to exploit the characteristics of wireless channels for the confidentiality. Its target is to blind the eavesdroppers such that they cannot extract any confidential information from the received signals. This thesis presents solutions and analyses to improve the PLS in wireless networks.

In the second chapter, we investigate the secrecy capacity performance of an amplify-andforward (AF) dual-hop network for both distributed beamforming (DBF) and opportunistic relaying (OR) techniques. We derive the capacity scaling for two large sets; trustworthy relays and untrustworthy aggressive relays cooperating together with a wire-tapper aiming to intercept the message. We show that the capacity scaling in the DBF is lower bounded by a value which depends on the ratio between the number of the trustworthy and the untrustworthy aggressive relays, whereas the capacity scaling of OR is upper bounded by a value depending on the number of relays as well as the signal to noise ratio (SNR).

In the third chapter, we propose a new location-based multicasting technique, for dual phase AF large networks, aiming to improve the security in the presence of non-colluding passive eavesdroppers. We analytically demonstrate that the proposed technique increases the security by decreasing the probability of re-choosing a sector that has eavesdroppers, for each transmission time. Moreover, we also show that the secrecy capacity scaling of our technique is the same as for broadcasting. Hereafter, the lower and upper bounds of the secrecy outage probability are calculated, and it is shown that the security performance is remarkably enhanced, compared to the conventional multicasting technique.

In the fourth chapter, we propose a new cooperative protocol, for dual phase amplify-andforward large wireless sensor networks, aiming to improve the transmission security while taking into account the limited capabilities of the sensor nodes. In such a network, a portion of the K relays can be potential passive eavesdroppers. To reduce the impact of these untrustworthy relays on the network security, we propose a new transmission protocol, where the source agrees to share with the destination a given channel state information (CSI) of source-trusted relay-destination link to encode the message. Then, the source will use this CSI again to map the right message to a certain sector while transmitting fake messages to the other sectors. Adopting such a security protocol is promising because of the availability of a high number of cheap electronic sensors with limited computational capabilities. For the proposed scheme, we derived the secrecy outage probability (SOP) and demonstrated that the probability of receiving the right encoded information by an untrustworthy relay is inversely proportional to the number of sectors. We also show that the aggressive behavior of cooperating untrusted relays is not effective compared to the case where each untrusted relay is trying to intercept the transmitted message individually.

Fifth and last, we investigate the physical layer security performance over Rayleigh fading channels in the presence of impulsive noise, as encountered, for instance, in smart grid environments. For this scheme, secrecy performance metrics were considered with and without destination assisted jamming at the eavesdropper’s side. From the obtained results, it is verified that the SOP, without destination assisted jamming, is flooring at high signal-to-noise-ratio values and that it can be significantly improved with the use of jamming.

Titre traduit

Solutions de sécurité de couche physique contre les récepteurs indistincts passifs et complexes dans les grands réseaux sans fil et les environnements à bruit impulsif

Résumé traduit

Les réseaux sans fil ont connu des évolutions rapides vers la durabilité, l’évolutivité et l’interopérabilité. Les sociétés en réseau futures conduisent l’économie numérique à une communauté plus globale d’infrastructures intelligentes et de services connectés pour une société plus durable et plus intelligente. En outre, une énorme quantité d’informations sensibles et confidentielles, telles que les dossiers médicaux, les supports électroniques, les données financières et les fichiers des clients, est transmise via des canaux sans fil. La mise en oeuvre de la distribution et de la gestion des clés de couche supérieure a été mise au défi par l’émergence de ces nouveaux systèmes avancés. Afin de résister à divers abus malveillants et attaques de sécurité, la sécurité de couche physique (PLS) est devenue une alternative attrayante. Le concept de base derrière PLS est d’exploiter les caractéristiques des canaux sans fil pour la confidentialité. Son objectif est d’aveugler les oreilles indiscrètes de sorte qu’ils ne puissent en extraire aucune informations confidentielles des signaux reçus. Cette thèse présente des solutions et des analyses pour améliorer le PLS dans les réseaux sans fil.

Dans le deuxième chapitre, nous examinons les performances de capacité de confidentialité d’un réseau à double saut amplifier et transférer (AF) pour les techniques de formation de faisceau réparti (DBF) et de relais opportuniste (OR). Nous calculons la capacité de mise à l’échelle pour deux grands ensembles; des relais fiables et des relais agressifs peu fiables coopérant avec un dépisteur visant à intercepter le message. Nous montrons que l’échelle de capacité dans le DBF est délimitée par une valeur qui dépend du rapport entre le nombre de relais agressifs dignes de confiance et ceux qui ne le sont pas, alors que la mise à l’échelle de la capacité de OU est limitée dans le haut par une valeur qui dépend du nombre de relais ainsi que du rapport signal sur bruit (SNR).

Dans le troisième chapitre, nous proposons une nouvelle technique de multidiffusion par localisation, destinée aux grands réseaux AF bi-phase, qui vise à améliorer la sécurité en présence d’écoutes indiscrètes passives non-collupères. Nous démontrons analytiquement que la technique proposée augmente la sécurité en réduisant la probabilité de re-choisir un secteur qui a des oreilles indiscrètes, pour chaque temps de transmission. De plus, nous montrons également que la capacité de confidentialité de notre technique est la même que pour la radiodiffusion. Ci-après, les limites inférieure et supérieure de la probabilité de défaillance du secret sont calculées et il est montré que les performances de sécurité sont remarquablement améliorées par rapport à la technique de multidiffusion classique.

Dans le quatrième chapitre, nous proposons un nouveau protocole de coopération pour les réseaux de capteurs sans fil à amplification et transmission doubles à phase double, visant à améliorer la sécurité de la transmission tout en tenant compte des capacités limitées des nœuds de capteurs. Dans un tel réseau, une partie des K relais peut être de potentiels oreilles indiscrètes passives. Pour réduire l’impact de ces relais non fiables sur la sécurité du réseau, nous proposons un nouveau protocole de transmission, dans lequel la source accepte de partager avec la destination une information CSI (Channel State Information) donnée de source sécurisée lien relais destination pour encoder le message. Ensuite, la source utilisera à nouveau cette CSI pour mapper le bon message sur un certain secteur tout en transmettant de faux messages aux autres secteurs. L’adoption d’un tel protocole de sécurité est prometteuse en raison de la disponibilité d’un grand nombre de capteurs électroniques bon marché dotés de capacités de calcul limitées. Pour le schéma proposé, nous avons dérivé la probabilité de coupure du secret (SOP) et démontré que la probabilité de recevoir les informations codées à droite par un relais peu fiable sont inversement proportionnelles au nombre de secteurs. Nous montrons également que le comportement agressif des relais non fiables coopérants n’est pas efficace par rapport au cas où chaque relais non sécurisé tente d’intercepter individuellement le message transmis.

Enfin, nous examinons les performances de sécurité de la couche physique sur les canaux à évanouissements de Rayleigh en présence de bruit impulsif, telles que rencontrées par exemple dans les environnements de électrique intelligent. Pour ce schéma, les métriques de performance de confidentialité ont été prises en compte avec et sans brouillage assisté par destination du côté de l’espionneur. D’après les résultats obtenus, il est vérifié que la POS, sans brouillage assisté par destination, est un revêtement de sol avec un rapport signal sur bruit élevé valeurs et qu’il peut être considérablement amélioré avec l’utilisation du brouillage.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 119-131).
Mots-clés libres:	couche physique, brouillage, transmission sectorielle, bruit impulsif
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 nov. 2019 18:54
Dernière modification:	13 nov. 2019 18:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2391

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