Design and Analysis of New Cooperative Relaying Networks for Enhancing Physical Layer Security. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Ahmed Hassan Abd El-Malek Dissertation) Full Dissertation with KACST Ack.pdf - Published Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

منذ نهاية القرن الماضي٬ اعتبرت شبكات الإتصالات اللاسلكية واحدة من أفضل أدوات تحسين الإنتاجية و الإبداع. قدمت هذة الشبكات مجموعة من المزايا أهمها الحركية و المرونة وسهولة التركيب والاستخدام مما رشّحها لتصبح عموداً فقريّا لمعظم الأنشطة الرسمية و الإجتماعية. و لكن و على الرغم من كل هذه المزايا ٬ و نظرا لطبيعة قنوات الإتصال اللاسلكية ٬ تظلّ حماية المعلومات المتداولة عبر شبكات الإتصالات اللاسلكية واحدة من المشاكل الرئيسة لهذه الشبكات. و نتيجة لإندماج شبكات الإتصالات اللاسلكية سريعاً فى مختلف الأنشطة اليومية ٬ زاد القلق من قدرة هذه الشبكات على حماية المعلومات. هذا القلق المتزايد في الآونة الأخيرة ألهم الباحثين فى مجال حماية شبكات الإتصالات اللاسلكية لتقديم نهج أمني جديد يعرف بأمن الطبقة المادية (Physical layer). تم تعريف أمن الطبقة المادية على نحو متزايد على أنه وسيلة قوية لضمان إتصال آمن عبر شبكات الإتصالات اللاسلكية فى ظلّ تزايد الشكوك حول قدرة نظم التشفير التقليدية على توفير الحماية اللازمة نتيجة للتحسن الكبير فى أداء الحوسبة. يقوم مفهوم الحماية فى هذا النهج الجديد على ضمان أنّ قناة التنّصت هى نسخة متدهورة من القناة الرئيسة مما يزيد من أمن الشبكات اللاسلكية. مما يجعل هذا النهج الجديد فى الحماية ملائما جداً لشبكات الاتصالات اللاسلكية المدمجة الحديثة. نتج عن ذلك تقديم أطروحة عمل تهدف إلى تصميم و دراسة كيفية حماية أنظمة الإتصال الإدراكية اللاسلكية و التي يتم فيها تقاسم الطيف اللاسلكي بين نوعين من المستخدمين هما المستخدم الرئيسي و المستخدم الثانوي. ستنفّذ هذه الدراسة على نوعين من الإتصالات الإدراكية مقسمة على حسب قدرة المستخدمين (الرئيسي و الثانوي) على التعاون. تشجّع شبكات الإتصال الإدراكية التعاونية التعاون بين المستخدم الرئيسي والمستخدم الثانوي. المزايا الرئيسية لهذا التعاون تتمثل في زيادة معدل البيانات الإجمالي للنظام ، و رفع كفاءة الاشغال في النطاق الترددي وتحسين معدل السريّة. سيتم دراسة تحسين الأمن من خلال التعاون فى الطبقة المادية عبر قنوات خبوْ مختلفة ، و حيث تكون نقاط الإتصال المرخصة مجهزة بهوائي واحد أو أكثر و في وجود متنصت واحد أو أكثر مجهز بهوائي واحد أو أكثر تحت ظروف التشغيل التي ثبت في الماضي أن أنها تؤثر على أمن الشبكة. من ناحية أخرى، تعتبر الإتصالات الضوئية أو البصرية في الفراغ وسيلة فعّالة لنقل المعلومات بسرعات عالية و لمسافات قصيرة. لقد تمّ تقديم هذا النوع من الإتصالات من أجل التغلّب على مشكلة "الميل الأخير" في الشبكات اللاسلكية و التي تتمثّل بالإنخفاض في سرعة نقل المعلومات للمستخدمين كما يحدث في بعض أنظمة الإتصالات بسبب ظاهرة التلاشي – الناتجة عن وصول الإشارة للمستقبل من خلال عدّة مسارات و بأطوار مختلفة و التي تؤدّي إلى ضرر كبير بجودة الإشارة – على سبيل المثال. في مثل هذه الأنظمة ، يتم نقل المعلومات أو الإشارات بين مرسل ومستقبل ضوئيان موجودان ، مثلاً ، على سطح بنايتين متقابلتين على بعد بضع مئات من الأمتار. هذا البعد بين المرسل و المستقبل يمكن أن يشكّل تحدٍّ فعليّ في عمليّة نقل الإشارات في أنظمة الإتصالات العاديّة و لكن ليس بالنسبة لمثيلاتها من أنظمة الإتصال الضوئي في الفراغ. بصفتها قادرة على نقل المعلومات بسرعة الإتصالات ذات الطيف العريض (و التي بدورها تقود لنقل معلومات بسرعات عالية جداً) ، و حيث أنّها تعمل على ترددات طيف غير مُرَخّصة ، تمثّل الإتصالات الضوئية في الفراغ بديل أو مكمّل قليل التكلفة لإتصالات التردد الراديوي. و لأنّ الموجات الضوئيّة غير مملوكة لشركات تزويد الخدمة ، إستخدامها مجّاني و بدون لكميّة المعلومات المنقولة. بالإضافة إلى ذلك ، ميّزاتها مثل الأمن المرتفع ، المرونة ، سرعة الإنتشار ، و عدم تعرّضها للتداخل كما في إنظمة التردد الراديوي ، جعلت منها مرغوبة الإستخدام في حالات الطوارىء و التطبيقات العسكرية. إلى جانب الإتصالات الضوئية في الفراغ ، تمّ تقديم تقنية أو شبكات المرحّلات للتغلّب على مشكلة التلاشي في شبكات الإتصال اللاسلكية من خلال تزويد النظام بنسخ متعدّدة من الإشارات المُرسلة بشكل مدروس. بالإضافة إلى ذلك ، تمتاز شبكات المرحّلات بقدرتها على زيادة مدى وصول الإشارة ، تحسينها لكفاءة إستخدام القدرة ، تحسينها لسعة النظام. وسيلة أخرى لتحسين آداء أنظمة الإتصالات اللاسلكية هي تنظيم وصول المستخدمين لمصادر النظام و عملية نقل معلوماتهم. نقدّم في هذا البحث بعض السيناريوهات الجديدة و الفعّالة لشبكات الإتصال الإدراكية التعاونية وكذلك لشبكات المرحّلات المدمجة من نوع تردد راديوي/تردد إتصال بصري في الفراغ وذلك من أجل دراسة أمن الطبقة المادية وتحسين الأداء المقدم من هذه الشبكات لتعزيز الأداء الأمنى. حيث يقدم البحث فى البداية طرق جديدة ومبتكرة للتعاون بين المستخدم الأساسى و الثانوى من أجل تعزيز أمن الطبقة المادية مع السماح للمستخدم الثانوى باستخدام الطيف الترددى فى نفس الوقت. ومن ثم يتجه البحث لدراسة مدى سرية المعلومات التى يمكن أن تقدمها شبكات المرحّلات المدمجة من نوع تردد راديوي/تردد إتصال بصري في الفراغ وذلك من خلال دراسة أداء هذه الشبكات فى حالة التعرض لهجوم من متنصت واحد أو عدة متنصيتين. ولقد أثبتت الدراسة أنه يمكت تحسين معامل السرية و الأمان فى الطبقة المادية باستخدام تلك النماذج المبتكرة فى البحث. حيث أشارت المعادلات والمحاكاة باستخدام الحاسوب تحسن فى أداء الشبكات المقترحة من وجهة نظر الفاعلية و الأمان.

English Abstract

The advantages of wireless communication networks such as mobility, flexibility and installation simplicity nominated these networks to be a backbone of most of the people business and social activities. Despite these advantages and due to the nature of the wireless medium, one of the major problems in wireless networks is the security of the shared information over the network. As wireless communication networks are rapidly included in many daily activities resulting in a growing security concern, this security interest inspired researchers in the area of wireless network security to proposed new communication models with high data transmission security and to present a recent new security approach known as physical layer security approach. Therefore, free space optical communications are presented as an effective secure means of transferring data at high rates over short distances. Free space optical communication offers the potential of broadband communication capacity, as they operate on unlicensed optical beams, and therefore represent a cost-effective alternative and/or complement to their radio frequency counterparts. Moreover, physical layer security is increasingly recognized as a potentially powerful means of ensuring secure communication over publicly accessible wireless networks. The main concept of physical layer security is to ensure that the wiretap channel of an eavesdropper is a degraded version of the main authorised channel. This increases the security of the wireless networks and that is highly applicable to emerging wireless systems. In the area of cooperative cognitive radio, we propose two new bandwidth efficient cooperative cognitive radio systems which enable cooperation between the primary user system and the secondary user system. The goals of these newly proposed systems are to enhance the wireless network bandwidth efficiency, minimize the total error probability, and maximize the total sum-rate of the system. Then, we propose new cooperative scenarios to enhance the physical layer security performance against eavesdropping attacks. The results show that the proposed models enhance the spectral efficiency, improve the system error performance and increase the total achievable sum rate. In addition, the proposed models enhance the secrecy performance of primary networks against eavesdropping attacks. In the area of mixed RF/FSO networks, we investigate performance of multiuser single-input-multiple-output mixed RF/FSO systems for different diversity combining techniques employed by a multi-antenna relay node. Then, we propose power allocation model with the help cooperative jamming technique to enhance the physical layer security of the considered systems by utilizing the selected worst user based on the authorized relay selection. Finally, we study the impact of non-identical co-channel interference signals on the security reliability trade-off analysis of multiuser mixed RF/FSO networks. Then, we employ the cooperative jamming technique to enhance the system secrecy performance against eavesdropping attack. The results show that the proposed mixed RF/FSO networks increase the ergodic capacity and enhances the secrecy performance against eavesdropping attacks.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Zummo, Salam
Committee Members:	Alouini, Mohamed-Slim and Selim, Shokri and Zerguine, Azzedine and Muqaibel, Ali
Depositing User:	AHMED HASS EL-MALEK MA (g201107250)
Date Deposited:	17 Apr 2016 10:43
Last Modified:	24 Dec 2019 08:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139910