Geri Dön

Physical layer security performance of satellite networks

Uydu ağlarının fiziksel katman güvenlık başarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 746232
  2. Yazar: OLFA BEN YAHIA
  3. Danışmanlar: Prof. Dr. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT, Assoc. Prof. Dr. EYLEM ERDOĞAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 152

Özet

Altıncı nesil (sixth generation; 6G) ağ tasarımında üç katmanlı Dikey Heterojen Ağ (VHetNet) vizyonu üzerinde durulmaktadır. Bu konsept, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) organizasyonun karasal olmayan ağ (non-terrestrial network; NTN) faaliyetleri ile uyumludur. Bu sistemde bulunan uydu (uzay) ağı, hava ağı ve karasal ağ, VHetNet'in üç katmanını temsil etmektedir. Uzay katmanı, alçak Dünya yörüngesi (low Earth orbit; LEO), orta Dünya yörüngesi (medium Earth orbit; MEO) uyduları dahil olmak üzere, yere göre durağan (sabit) Dünya yörüngesi (geostationary Earth orbit; GEO) uydularını içerir. Bu katman LEO, MEO ve GEO takım yıldızlarını yoğun bir şekilde dağıtarak hizmet verilmeyen ve yetersiz hizmet verilen alanlar için kablosuz haberleşme dahil farklı uygulamalarda yörünge veya İnternet hizmetleri sağlayabilecektir. Uydu katmanından farklı olarak hava katmanı insansız hava araçları (unmanned aerial vehicles; UAV'ler), yüksek irtifa platform sistemleri (HAPS) gibi yüzer modeller dahil olmak üzere uçan baz istasyonlarının (base stations; BSs) yoğun bir şekilde kullanılmasıyla daha esnek ve daha iyi hizmet kalitesi sağlayabilecektir. Bu modelde üçüncü katman olan karasal haberleşme katmanı kablosuz kapsama sağlamak için birincil yöntem olarak kullanılmaya devam edecektir. Uydu iletişim (Satellite Communications; SatCom) sistemleri tipik olarak radyo frekansı (radio frequency; RF) tabanlıdır ve farklı uygulamalar için birden fazla frekans bandı kullanılır. Bununla birlikte, RF kanalları, spektrum tıkanıklığı, lisanslı bant, diğer frekans bantlarıyla etkileşim ve güvenlik tehditlerinden muzdariptir. Bu sorunları ele almak için, son derece geniş bant genişliği, lisanssız spektrum, daha iyi güvenlik, düşük parazit, dağıtım kolaylığı ve diğer özellikler sağlama kapasitesi nedeniyle, son zamanlarda SatCom bağlantılarında serbest alan optik (free-space optical; FSO) iletişiminin kullanılması önerilmiştir. RF muadili üzerinde. Bununla birlikte, RF kanallarına benzer şekilde, FSO iletişimi, atmosferik türbülans, saçılma ve zayıflama dahil olmak üzere atmosferik etkilerle ilgili bir takım dezavantajlar barındırmaktadır. Ayrıca, FSO iletişimi, ışın gezinmesi, ışın sapması ve işaret sorunlarından muzdariptir. Bu etkileri azaltmak ve tamamlayıcı özelliklerinden yararlanmak için FSO ile RF bağlantısının dahil edilmesi dahil olmak üzere genel performansı artırmak için mevcut literatürde farklı teknikler önerilmiştir. Bu kombinasyon iki olası mimariyi içerir: karma RF-FSO ve hibrit RF/FSO iletişimi. Karışık RF-FSO iletişiminde, bir atlamada bir RF kanalının ve diğerinde bir FSO kanalının kullanıldığı bir çift atlamalı ağ ele alınmıştır. Hibrit RF/FSO iletişimi için RF ve FSO kanalları paralel olarak kullanılmıştır. Bu kombinasyonlar, hava ile ilgili sorunları en aza indirirken hem RF hem de FSO iletişiminin tüm avantajlarından yararlanabilir. Bir yandan, hibrit RF/FSO iletişimi son literatürde büyük ilgi görmüştür. Öte yandan, uydu ağları için hibrit RF/FSO iletişiminde önemli bir boşluk vardır. Ayrıca, NTN'lerde aynı bilgiyi belirli bir çok noktaya yayın grubu adresi üzerinden bir grup kullanıcıya gönderirken, çok noktaya yayın hizmetleri olarak bilinen karışık RF-FSO ağları hakkında birkaç çalışma bulunmaktadır. Kablosuz kanalın yayın niteliğinden dolayı güvenlik, NTN'lerde en kritik konu ve zorlu bir problemdir. Genellikle uygulama katmanında güvenliği ele alan geleneksel yöntemlerden farklı olarak, fiziksel katman güvenliği (physical layer security; PLS), kanalların fiziksel özelliklerindeki varyasyonları çıkararak bilgi-teorik güvenliği garanti eder, böylece bir dinleyicideki bozulmuş bir sinyal her zaman garanti edilir ve dolayısıyla orijinal mesaj sağlanabilir. Sinyalin gayri meşru alıcıda nasıl işlendiğine bakılmaksızın zorlukla elde edilebilir. PLS, sağlam bir güvenlik biçimi sağlamak için iyi bir alternatif olarak araştırılmıştır. Çeşitli dinleme kanalı modelleri altında PLS'nin temel performans sınırlarını belirlemek için bugüne kadar birçok çalışma yapılmıştır. Fakat mevcut çalışmaların hiçbiri NTN sistemlerinde PLS kavramını araştırmamıştır. Bu doktora tezinin temeli gelecekteki ağları içeren bu temel zorluklardır. Çalışmamız NTN'lerde PLS'nin fiziksel performansına ışık tutmayı amaçlamaktadır. Bu nedenle, gelecekteki ağlar için fiziksel katmanın kesinti ve hata performansını iletişim açısından anlamak, güvenlik seviyesini incelemek için önem taşımaktadır. Tezin ilk bölümünde, RF ve FSO iletişiminin tamamlayıcı doğası tarafından motive edilen SatCom için hibrit RF/FSO iletimi ve karma RF-FSO yaklaşımları incelenmiştir. Önerilen ilk modelde, uydunun sensörlerden toplanan ve bağlam farkındalığı için kullanılan hava koşullarına dayalı olarak RF veya FSO bağlantılarını seçtiği tek atlamalı bir SatCom sistemi varsayılmıştır. Önerilen ağın performansını değerlendirmek için çeşitli hava durumlarını göz önünde bulundurarak kesinti olasılığı (outage probability; OP) ifadeleri elde edilmiştir. Ayrıca çeşitlilik sırasını belirlemek için asimptotik analiz yapılmıştır. Ayrıca sıfır olmayan ön görüş işaretleme hatalarının etkilerini de göz önünde bulundurularak ve açıklık ortalamasının yanlış hizalama ve atmosferik türbülansın etkilerini önemli ölçüde nasıl azaltabileceği gösterilmiştir. Sonuçlar, önerilen tekniğin, bir miktar güç kazancı sağlarken, OP açısından çift modlu geleneksel hibrit RF/FSO iletişiminden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. Ardından, bir ara HAPS düğümü kullanan yeni bir aşağı bağlantı çift atlamalı SatCom modeli sunuyoruz. LEO uydusu ile HAPS düğümü arasında FSO iletişimi yaparken, HAPS düğümü ile yer istasyonu (ground station; GS) arasında bir hibrit FSO/RF iletim mekanizması ele alınmıştır. Uydu, iletişiminin ilk aşamasında en iyi sinyal-gürültü oranına (signal to noise ratio; SNR) sahip HAPS düğümünü seçilmektedir. Sinyalin kodu çözülür ve ikinci aşamada belirlenen HAPS tarafından GS'ye iletilir. Önerilen sistemin performansını incelemek için, atmosferik türbülans, saçılma, stratosferik zayıflama, yol kaybı ve işaret hataları dikkate alınarak üstel Weibull (EW) ve gölgeli-Rician sönüm modelleri için OP ifadeleri elde edilmiştir. Bunun dışında asimptotik analiz ve çeşitlilik kazancı bulunmuştur. Açıklık (aperture) ortalama alma tekniği, rüzgar hızı ve sıcaklığın etkisi de araştırılmıştır. Son olarak, sonuçlar bir HAPS düğümü kullanmanın sistem performansını artırdığını ve önerilen modelin şu anda kullanımda olan tüm diğer modellerden daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir. Bu çalışmayı takiben, çok noktaya yayın ağları için çok atlamalı karma RF-FSO iletişim tabanlı kod çözme ve iletme protokolünün performansı araştırılmıştır. Şimdiye kadar, gerçek zamanlı uygulamaları çok sayıda kullanıcıya aynı anda sunmak, yüksek veri trafiği taleplerinin üstesinden gelmek için umut verici bir teknik olarak tespit edilmiştir. Bu nedenle, iki gerçekçi kullanım durumu ele alınmıştır. İlk modelde, karasal bir GS'nin iki stratosferik HAPS sistemi aracılığıyla bir düğüm kümesi ile iletişim kurduğu bir HAPS düğümü tarafından desteklenen karma bir RF/FSO/RF iletişim stratejisi önerilmiştir. İkinci modelde, geniş yayılma mesafeleri tarafından üretilen önemli zayıflama nedeniyle, iki HAPS sistemi arasındaki görüş hattı (LOS) bağlantısının mevcut olmadığını varsayılmıştır. Sonuç olarak, bir LEO uydusu tarafından desteklenen karma bir RF/FSO/FSO/RF iletişim sistemi önerilmiştir. Verilen senaryolar için OP'nin kapalı form ifadeleri ve bit hata oranı elde edilmiştir. Ayrıca, önerilen modellerin asimptotik davranışını göstermek için çeşitlilik kazanımları ifadeleri verilmiştir. Her iki senaryo için de ergodik kapasite ve enerji verimliliği (enerji verimliliği; EE) sunulmaktadır. Son olarak, teorik türevleri doğrulamak için simülasyon sonuçları verilmiştir. Elde edilen sonuçlar, uydu destekli karma RF/FSO/FSO/RF modelinin OP açısından HAPS destekli karma RF/FSO/RF modelinden daha iyi performans gösterdiğini, HAPS destekli karma RF/FSO/RF senaryosunun daha yüksek EE değerleri elde ettiğini doğrulamaktadır. Güvenlik açısından farklı dinleme modelleri önerilmiş ve PLS performansının analizi sunulmuştur. Öncelikle, HAPS destekli bir SatCom sistemi için, RF gizli dinlemenin gizlilik performansı incelenmiştir. Önerilen mimaride HAPS ile LEO uydusu arasında FSO iletişimi kullanılırken, LOS iletişimi kurulamadığı için HAPS ile GS arasında RF iletişimi kullanılmaktadır. Kapalı form gizlilik kesinti olasılığı (secrecy outage probability; SOP) ve pozitif gizlilik kapasitesi olasılığı (probability of positive secrecy capacity; PPSC) ifadeleri, önerilen yaklaşımın genel gizlilik performansını yorumlamak için türetilmiştir. Ayrıca işaretleme hatası ve gölgeleme şiddeti parametrelerinin etkisi de dikkate alınmıştır. Aşağıda, farklı pratik senaryolar için NTN'lerde optik gizli dinlemeyi problemi ele alınmıştır. Bu bağlamda, bir HAPS düğümünün bir LEO uydusundan hassas verileri toplamaya çalıştığı ve bir İHA dinleyicisinin HAPS düğümünden gelen gizli verileri ele geçirmeye çalıştığı varsayılmıştır. Her iki senaryonun genel performansını değerlendirmek için kapalı form SOP ve PPSC ifadeleri elde edilmiştir ve ifadeler Monte Carlo (MC) simülasyonları ile doğrulanmıştır. İkinci olarak, bir saldırgan uzay aracının bir LEO uydusu ve bir HAPS düğümü arasında kurulan optik iletişimi engellediği bir uydu dinleme stratejisi sunulmaktadır. Uydudan HAPS'a (downlink) ve HAPS'tan uyduya (uplink) optik iletişimleri varsayılmıştır, burada yetkisiz kulak misafiri uzay aracı iletilen veya alınan sinyali yakalayabilir. Ortalama gizlilik kapasitesi ve SOP ifadeleri, gizlilik performansını ölçmek için MC simülasyonları ile elde edilmiş ve doğrulanmıştır. Ayrıca, gizlilik aktarım hızı performansı da araştırılmıştır. Son olarak, bulgularımıza göre, türbülansa bağlı sönümleme, FSO iletişiminin gizlilik performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Özet (Çeviri)

A vision of a three-layer Vertical Heterogeneous Network (VHetNet) is being discussed in the state-of-the-art Sixth Generation (6G) network design. This concept is in line with the 3rd Generation Partnership Project (3GPP)'s non-terrestrial network (NTN) activities. A satellite (space) network, an aerial network, and a terrestrial network represent the three levels. The space layer includes geostationary Earth orbit (GEO) satellites and non-GEO satellites including low Earth orbit (LEO) and medium Earth orbit (MEO) satellites. This layer will provide orbit or space Internet services in applications including space travel as well as wireless coverage for unserved and underserved areas not served by terrestrial networks by densely deploying LEO, MEO, and GEO constellations. By intensively utilizing flying base stations (BS), including unmanned aerial vehicles (UAV), and floating BSs, such as high altitude platform systems (HAPS), the aerial layer would enable a more flexible and better quality of service for critical events or in inaccessible areas. For most human activities, the terrestrial layer will continue to be the primary method for delivering wireless coverage. Satellite communication (SatCom) systems are typically radio frequency (RF)-based, with multiple frequency bands employed for different applications. However, RF channels suffer from spectrum congestion, license issues, interference with other frequency bands, and security threats. To address these issues, free-space optical (FSO) communication has lately been recommended for use in SatCom links because of its capacity to provide exceptionally large bandwidth, unlicensed spectrum, better security, low interference, ease of deployment, and other features over its RF counterpart. Nevertheless, similar to RF channels, FSO communication presents several drawbacks related to atmospheric effects, including atmospheric turbulence, scattering, and attenuation. Furthermore, FSO communication suffers from beam wander, beam divergence, and pointing issues. Different techniques have been proposed in the current literature to reduce these effects and enhance the overall performance including the incorporation of the RF link with the FSO to benefit from their complementary characteristics. This combination includes two possible architectures: mixed RF-FSO and hybrid RF/FSO communications. In mixed RF-FSO communication, a dual-hop network is considered, in which an RF channel is employed at one hop and an FSO channel is used at the other. For hybrid RF/FSO communication, RF and FSO channels are used in parallel. These combinations may reap all the advantages of both RF and FSO communications while minimizing weather-related issues. On the one hand, hybrid RF/FSO communication has received much attention in the recent literature. On the other hand, for satellite networks, there is a substantial gap in hybrid RF/FSO communication. In addition, there are a few works about mixed RF-FSO networks in NTNs while sending the same information to a group of users on a particular multicast group address, known as multicast services. Due to the broadcasting nature of the wireless channel, security is the most critical issue and challenging concern in NTNs. Unlike conventional methods, which often handle security at the application layer, physical layer security (PLS) guarantees information-theoretic security by extracting the variations in the physical properties of channels such that a degraded signal at an eavesdropper is always assured and therefore the original message can be hardly obtained regardless of how the signal is processed at the illegitimate receiver. PLS has been investigated as a good alternative to provide a solid form of security. Many studies have been conducted up to date to determine the fundamental performance limits of PLS under various wiretap channel models. It's worth noting that none of the available studies have investigated PLs in NTN systems. This Ph.D. research has been motivated by these key challenges involving future networks. In this thesis, our work sheds light on the PLS performance in NTNs. Therefore, understanding the outage and error performance of the physical layer for future networks from the communication point of view is of great importance to studying the security aspect. In the first part of the thesis, we study the hybrid RF/FSO transmission and mixed RF-FSO approaches for SatCom motivated by the complementary characteristics of RF and FSO communication. In the first proposed model, we assume a single-hop SatCom system where the satellite selects RF or FSO links based on weather conditions collected from sensors and employed for context awareness. We obtain the outage probability (OP) expressions by considering various weather situations to assess the performance of the proposed network. In addition, asymptotic analysis is carried out to determine the diversity order. We also consider the effects of non-zero boresight pointing errors and show how aperture averaging can significantly mitigate the effects of misalignment and atmospheric turbulence. The results reveal that the suggested technique outperforms dual-mode traditional hybrid RF/FSO communication in terms of OP while providing some power gain. Then, we present a novel downlink dual-hop SatCom model using an intermediate HAPS node. FSO communication is adopted between the LEO satellite and the HAPS node, whereas a hybrid FSO/RF transmission mechanism is considered between the HAPS node and the ground station (GS). The satellite chooses the HAPS node with the best signal-to-noise ratio in the initial phase of transmission. The signal is decoded and forwarded to the GS in the second phase by the designated HAPS. To examine the proposed system's performance, OP expressions for exponentiated Weibull and shadowed-Rician fading models are obtained, by considering atmospheric turbulence, scattering, stratospheric attenuation, path loss, and pointing errors. Aside from that, asymptotic analysis and diversity gain are obtained. The effect of the aperture averaging technique, wind speed, and temperature are also explored. Finally, the results show that using a HAPS node increases system performance and that the suggested model outperforms all other models currently in use. Thereafter, we investigate the performance of a multiple-hop mixed RF-FSO communication-based decode-and-forward protocol for multicast networks. So far, delivering real-time applications to a large number of users at the same time has been seen as a promising technique to deal with high data traffic demands. Thus, we present two realistic use-cases. In the first model, we propose a mixed RF/FSO/RF communication strategy assisted by a HAPS node, in which a terrestrial node communicates with a cluster GSs via two HAPS systems. In the second model, we consider that due to substantial attenuation produced by wide propagation distances, we consider that line of sight (LOS) connectivity between the two HAPS systems is unavailable. As a result, we propose a mixed RF/FSO/FSO/RF communication system supported by an LEO satellite. Closed-form expressions of OP and bit error rate are obtained for the given scenarios. In addition, diversity gains are derived to show the asymptotic behavior of the proposed models. For both scenarios, ergodic capacity and energy efficiency (EE) are also presented. Finally, simulation results are presented in order to verify the theoretical derivations. The obtained results demonstrate that the satellite-assisted mixed RF/FSO/FSO/RF model outperforms the HAPS-assisted mixed RF/FSO/RF model in terms of OP, whereas the HAPS-assisted mixed RF/FSO/RF scenario achieves better EE. From the security perspective, we propose different wiretap models and analyze the PLS performance. At first, for a HAPS-aided SatCom system, we study the secrecy performance of RF eavesdropping. In the proposed architecture, FSO communication is used between HAPS and the LEO satellite, while RF communication is used between HAPS and the GS as LOS communication cannot be established. Closed-form of secrecy outage probability (SOP) and probability of positive secrecy capacity (PPSC) expressions are derived to interpret the overall secrecy performance of the proposed approach. We also consider the impact of the pointing error and shadowing severity parameters. In what follows, we introduce optical eavesdropping in NTNs for different practical scenarios. In this context, we consider that a HAPS eavesdropper node is seeking to collect sensitive data from an LEO satellite, and a UAV eavesdropper is attempting to intercept confidential data from a HAPS node. We obtain closed-form SOP and PPSC expressions and validate them with Monte Carlo (MC) simulations to evaluate the overall performance of both scenarios. Secondly, a satellite eavesdropping strategy is presented, in which an attacker spacecraft trying to intercept optical communications established between an LEO satellite and a HAPS node. We assume satellite-to-HAPS (downlink) and HAPS-to-satellite (uplink) optical communications, in which the eavesdropper spacecraft can capture either the transmitted or received signal. The average secrecy capacity and SOP expressions are obtained and validated with MC simulations to quantify the secrecy performance. We also investigate secrecy throughput performance. Finally, according to our findings, turbulence-induced fading has a considerable impact on the secrecy performance of FSO communication.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887618

    Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    714363

    A friendly physical layer warden system

    Dost bir fiziksel katman bekçi sistemi

    MİRAÇ KUMRAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT

  3. Tez No

    488054

    Artırılmış gerçeklik mobil uygulaması; İTÜ kampüs asistanı örneği

    Augmented reality mobile application; ITU campus assistant example

    RASHID RAMAZANOV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DURSUN ZAFER ŞEKER

  4. Tez No

    667749

    Bilişsel radyo ağlarında fiziksel katman güvenliği performans analizi

    Physical layer security performance analysis of the cognitive radio networks

    EMRE BAYAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK

  5. Tez No

    606485

    Optimal parameter encoding strategies for estimation theoretic secure communications

    Kestirim kuramsal güvenli haberleşme için optimal parametre kodlama stratejileri

    ÇAĞRI GÖKEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNAN GEZİCİ

Geri Dön