Wireless networks physical layer security : modeling and performance characterization

Résumé

Poussée par la croissance et l’expansion exponentielles des périphériques sans fil, la sécurité des données joue, de nos jours, un rôle de plus en plus important dans tous nos transactions et interactions quotidiennes avec différentes entités. Des exemples possibles, y compris les informations de santé et les achats en ligne, deviennent très vulnérables en raison de la nature intrinsèque du support de transmission sans fil et de l’ouverture d’accès aux liens sans fil. Traditionnellement, la sécurité des communications est principalement considérée comme étant les tâches traitées au niveau des couches supérieures de la pile de protocoles en couches, les techniques de sécurité, y compris le contrôle d’accès personnel, la protection par mot de passe et le chiffrement de bout en bout. Ces techniques ont été largement étudiés dans la littérature. Plus récemment, le potentiel que présente la couche physique pour améliorer la sécurité des communications sans fil apporte de plus en plus d’intérêt. Etant un paradigme nouveau et attrayant au niveau de la couche physique, la sécurité de la couche physique repose sur deux travaux fondamentaux: (i) la théorie de l’information de Shannon. (ii) le canal d’écoute électronique de Wyner. Compte tenu des fondements de la sécurité de la couche physique et de la nature différente des divers réseaux sans fil, cette thèse est censée combler davantage le manque qu’on trouve dans les résultats des travaux de recherche existants. En guise de précision, les contributions de cette thèse peuvent être résumées comme suit: (i) exploration des métriques de confidentialité sur des canaux à évanouissement plus généraux; (ii) la caractérisation d’un nouveau modèle de canal à évanouissements et l’analyse de sa fiabilité et de sa sécurité lors de son application aux systèmes de communication numériques; (iii) étude de la sécurité de la couche physique sur les canaux aléatoires MIMO à évanouissement α −μ. En prenant en compte le modèle d’écoute électronique classique d’Alice-Bob-Eve, la première contribution peut être divisée en quatre parties: (i) nous avons étudié les performances de confidentialité sur des canaux SISO à évanouissement α − μ. La probabilité de capacité de confidentialité non nulle (PNZ) et la limite inférieure de probabilité d’interruption de secret (SOP) sont calculées pour le cas particulier où le canal principal et le canal d’écoute subissent le même paramètre de non-linéarité d’évanouissement, à savoir, α. Par la suite, afin de combler le manque d’expression de forme fermée de la SOP dans la littérature et d’étendre les résultats obtenus au chapitre 2 pour le cas des canaux d’écoute SIMO à évanouissement α − μ. En utilisant le fait que les rapports signal sur bruit (SNR) reçus au niveau du récepteur légitime et au niveau de l’écoute clandestine peuvent être approchés en tant que nouvelles variables aléatoires (RV) de distribution α −μ, la métrique SOP est donc dérivée et donnée en termes de la fonction H bivariée de Fox ; (ii) la performance de confidentialité sur les canaux d’écoute électronique Fisher-Snedecor F à évanouissement est initialement prise en compte. Les SOP,PNZ et ASC sont finalisées en termes de fonction G de Meijer (iii) afin de généraliser les résultats obtenus sur F canaux d’écoute électronique de Fisher-Snedecor à évanouissement α −μ, un canal à évanouissement plus flexible et plus général, comme le modèle d’atténuation de la fonction H de Fox, est pris en compte. Les analyses exactes et asymptotiques de SOP, PNZ et al capacité de confidentialité moyenne (ASC) sont développées avec des expressions de forme fermée; (iv) Enfin, motivés par le fait que la distribution MG (mélange gamma) est un outil attrayant, qui peut être utilisé pour modéliser les SNRs reçus instantanément sur des canaux sans fil à évanouissements, les métriques de confidentialité sur divers canaux d’écoute électronique à évanouissements sont dérivées en utilisant l’approche MG. En raison de la puissance de transmission et de la portée de communication limitées, les relais coopératifs ou les réseaux sans fil à sauts multiples sont généralement considérés comme deux moyens prometteurs pour résoudre ces problèmes. Inspiré par les résultats obtenus aux chapitres 2 et 3, le second apport consiste à proposer un modèle de canal à évanouissements novateur mais simple, à savoir le cascadé α −μ. Cette nouvelle distribution est avantageuse puisqu’elle englobe facilement les canaux cascadés existantes Rayleigh, Nakagami-m et Weibull. Sur cette base, les performances de fiabilité et de confidentialité d’un système numérique sur des canaux de fading α −μ en cascade sont ensuite évaluées. Les expressions en forme fermée des mesures de fiabilité (y compris la quantité d’atténuation (AF), la probabilité de coupure, la capacité moyenne du canal et la probabilité d’erreur de symbole moyenne (ABEP)) ainsi que les mesures de confidentialité (y compris SOP, PNZ et ASC) sont fournies. En outre, leurs comportements asymptotiques sont également effectués et comparés aux résultats exacts. Considérant les effets de la densité des utilisateurs, de la distribution spatiale et du facteur d’affaiblissement de propagation sur la confidentialité de la communication, le troisième aspect de cette thèse est détaillé dans le chapitre 8 en tant qu’investigation sur la confidentialité du système MIMO stochastique sur des canaux d’écoutes électroniques avec évanouissement α − μ. La géométrie stochastique et le schéma de transmission spatio-temporelle classique (STT) sont utilisés dans la configuration du système. La question de la confidentialité est évaluée mathématiquement par le biais de trois métriques, à savoir la coupure de connexion, la probabilité de la capacité de confidentialité non nulle et la capacité de confidentialité ergodique. Ces trois métriques sont ensuite dérivées en termes de deux schémas de classement et comparées ensuite aux simulations de Monte-Carlo.

Date	29 mai 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))