Physical layer security techniques for future wireless communication systems against eavesdropping

Abstract

The inherent broadcast characteristics of wireless communication make it vulnerable to passive eavesdropping. Conventionally, security techniques in the upper layers like cryptography-based techniques have been employed for secure transmission. However, such security techniques may not be adequate for future decentralized networks due to their high complexity of implementation and computation. Furthermore, the emergence of powerful computing devices makes these techniques vulnerable to sophisticated adversaries. To cope up with these problems, physical layer security (PLS) techniques have attracted a lot of attention. PLS techniques exploit the dynamic features of wireless communications, for example, the randomness of the channel, interference, and noise, etc., to restrict the eavesdropper from decoding the data while ensuring the successful decoding of data for the legitimate user. In this thesis, novel security techniques are proposed and developed based on the physical layer of wireless communication to provide secure communication against eavesdropper. The main approaches in the conducted research include the security techniques for the applications in the following domains: multiple-input-multiple-output (MIMO), cooperative communication, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), orthogonal frequency division multiplexing with index modulation (OFDM-IM), cognitive radio (CR), non-orthogonal multiple access (NOMA), and heterogeneous networks. Moreover, an intelligent framework for physical layer security is also presented.Kablosuz iletişimin doğasında bulunan yayılım özellikleri, onu pasif dinlemeye karşı savunmasız kılmaktadır. Geleneksel olarak, güvenli bir iletim için üst katmanlarda kriptografiye dayalı güvenlik teknikleri kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu tür güvenlik teknikleri, yüksek uygulama ve hesaplama karmaşıklıkları nedeniyle gelecekteki merkezi olmayan ağlar için yeterli olmayabilmektedir. Ayrıca, güçlü bilgi işlem cihazlarının ortaya çıkışı, bu teknikleri ileri teknolojiye dayalı rakiplere karşı savunmasız hale getirir. Bu sorunların üstesinden gelmek için, Fiziksel Katman Güvenliği (PLS) teknikleri büyük ilgi görmüştür. PLS teknikleri, meşru kullanıcı için verilerin başarılı bir şekilde çözülmesini sağlarken, gizli dinleyicinin verilerin kodunu çözmesini kısıtlamak için, kanalın rasgeleliği, girişim ve gürültü gibi dinamik özelliklerinden yararlanır. Bu tezde, dinleyicilere karşı güvenli iletişim sağlamak için kablosuz iletişimin fiziksel katmanına dayalı olarak yeni güvenlik teknikleri önerilmiş ve geliştirilmiştir. Yürütülen araştırmadaki ana yaklaşımlar, aşağıdaki alanlardaki uygulamalar için güvenlik tekniklerini içermektedir: Çoklu-giriş çoklu-çıkış (MIMO), işbirliğine dayalı iletişim, Dikey Frekans Bölmeli Çoklama (OFDM), İndeks Modülasyonlu Dikey Frekans Bölmeli Çoklama (OFDM-IM), Bilişsel Radyo (CR), Dikey Olmayan çoklu Erişim (NOMA) ve heterojen ağlar. Ayrıca, fiziksel katman güvenliği için akıllı bir çerçeve de sunulmaktadır.