Jamming based on channel reciprocity for secrecy in wireless communications

Abstract

Nas últimas décadas as comunicações sem fios tiveram um crescimento enorme. Hoje em dia, a maioria das tarefas diárias necessitam da utilização de um dispositivo que recorra a uma comunicação sem fios. Por isso, criou-se uma necessidade de aumentar a segurança nestas comunicações. Recentemente, as técnicas de segurança na camada física têm gerado interesse, pois, permitem complementar, através de uma abordagem diferente, os protocolos de segurança já existente em outras camadas lógicas. Nesta dissertação foi implementado, um método de segurança na camada física num sistema Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Este método utiliza as características do canal para codificar e descodificar a mensagem transmitida, tendo por base o princípio da reciprocidade do canal que permite obter uma fonte de informação aleatória comum entre transmissor e recetor legítimo. As estimações de canal feitas são utilizadas para criar sinais de interferência que irão mudar a fase dos símbolos modulados e, consequentemente, proteger a mensagem transmitida. O sistema OFDM com o método de segurança foi desenvolvido utilizando a framework GNU Radio. Além disso, cada módulo constituinte do sistema pode ser utilizado com plataformas de rádio definido por software (SDR) para testes em ambiente real. Os testes realizados foram feitos considerando um cenário baseado no canal wiretap onde existem dois utilizadores legítimos (Alice e Bob) e um ilegítimo (Eve); no modelo original a Alice envia uma mensagem para o Bob enquanto a Eve tenta intercetá-la, além disso é assumido que as condições de transmissão do Bob são mais vantajosas do que as da Eve. As simulações realizadas consideraram diferentes condições de canal de forma a determinar os efeitos no desempenho do sistema. Além disso, foi realizada uma experiência em condições reais com SDR para validar a implementação. Os resultados obtidos, constituem evidência que o método usado pode aumentar a segurança mesmo quando o canal ilegítimo tem boas condições, embora, alguma fiabilidade seja comprometida. Isto pode ser importante nas futuras redes de dispositivos de baixa complexidade, como na Internet das coisas, onde é difícil a implementação de técnicas complexas de encriptação, e como os métodos de segurança na camada física podem ter um papel importante.

Wireless communications had an impressive growth in the last decades. Nowadays, most daily tasks require the use of a device that resorts to wireless communications. For these reasons, a necessity to increase security in this type of communications has emerged. Recently, physical-layer security techniques have raised interest, since they allow complementing, through a different approach, the already existent security protocols in higher logical layers. In this dissertation, a method of physical layer security is implemented in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system. This method uses the channel characteristics to encode and decode the transmitted message. Taking as foundation the channel reciprocity principle it grants a common source of random information between the legitimate transmitter and receiver. The channel estimations are used to create a jamming signal that, when applied to the transmitted signal, will shift the modulated symbols phase, and, therefore, protect the message. The OFDM system with the secrecy method was developed using the GNU Radio framework. Also, each module of the built system can be used with Software Defined-Radio (SDR) platforms for testing in a real world environment. Simulation tests were conducted considering a scenario based on the wiretap channel where there are two legitimate users (Alice and Bob) and an illegitimate eavesdropper (Eve); in the original wiretap model Alice sends a message to Bob while Eve tries to intercept it, where it is also assumed that, Bob's reception condition is advantageous over Eve's. The conducted simulations have considered different kinds of channel conditions to determine the effects on the system performance. Also, an actual real world environment experiment with SDR was made. With the obtained results, it was shown that the employed method can increase security even in a configuration with an illegitimate channel with good conditions, although, some reliability may be compromised. The proposed technique may be important for future networks composed of low capability devices, such as in the Internet of Things, where may be difficult to implement complex encryption techniques, and how physical-layer security methods may play an important role.