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

Résumé

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.

Date	8 août 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))