Advanced cross-layer secure communication designs for future wireless systems

Abstract

Kablosuz iletimde gönderilecek bilginin gizlice dinlenebilmesi, farklı ihtiyaç gereksinimlerinisahip gelecekteki haberleşme sistemleri için iletim güvenirliliğini zorlu bir sorun olarak ortayaçıkarmaktadır. Bununla başa çıkmak için fiziksel katman güvenliği (PLS) güçlü ve ileriye dönük yeni birçözüm olarak ortaya çıkmıştır. Bu yöntem gelecek haberleşme sistemlerinde uygunabilirlik açısındanproblemler oluşturabilecek şifreleme tabanlı yöntemleri tamamlayabilir, hatta yerini alabilir. Buzorluğu çözmek için, bu tezde özgün ileri ve çapraz PHY/MAC katman güvenlik tasarımları gelecekhaberleşme sistemlerinde gizlice dinlenilmeye karşı güvenirliliği artırmak için geliştirildi ve önerildi.Yapılan araştırma çalışmaları aşağıdaki ana yaklaşımları kapsamaktadır. I) Çapraz PHY/MAC katmangüvenlik teknikleri: 1) Maksimum oran kombinasyonu (MRC) ve adaptif modulasyon ile otomatik-tekrar-istek (ARQ) ; MRC ve boşluk uzayından bağımsız yapay gürültü ile ARQ. II) OFDM tabanlı dalgaformları için güvenlik teknikleri. Bu aşağıda başlıkları içeren yeni tasarımlar geliştirmeyi içerir: 1)Uyarlamalı serpiştirme ve ön kodlama ile OFDM. 2) 5G URLLC hizmetlerinde güvenlik ve güvenirliliğinartırılması için alt taşıyıcı indeks seçimi ile OFDM. 3) Spektral verimliliği artırmak, gecikmeyi azaltmakve PHY güvenliğini geliştirmek için hizalama sinyalleri ile ön-eksiz (CP-less) OFDM. III) Dikgendönüşüm bölmeli çoğallama (OTDM) olarak adlandırılan güvenli kanal tabanlı dönüşüm dalga formtasarımları gelecek haberleşme sistemleri için geliştirildi ve önerildi. Daha sonra, bu dalga formununzaman-frekans karakteristiği incelendi, zirve ve ortalama güç oranını (PAPR) düşürmek için bir metotgeliştirildi. IV) MISO tabanlı dikgen uzay-zaman blok kodlamalı (OSTBC) sistemler için ön göstergematris göstergelerinin (PMI) kullanıldığı ve yeniden tasarlandığı güvenlik tasarımları.

Due to the inherent vulnerability of wireless transmission to eavesdropping, con-dentiality arises as a challenging issue especially for future wireless networksbecause of their unique requirements. To cope with this, physical layer security(PLS) has emerged as a new concept and prospective solution that can complementand even replace encryption-based methods, which entail many practicalproblems that may impede its implementation and adoption in future wireless networks.To address this challenge, in this thesis, novel, advanced and cross physical(PHY) and media access control (MAC) layer security designs are developed forproviding condentiality against eavesdropping in future wireless networks. Theconducted research studies encompass the following main approaches. I) CrossPHY/MAC layer security techniques using: 1) Automatic-repeat-request (ARQ)with maximal ratio combination (MRC) and adaptive modulation; 2) ARQ withMRC and null-space-independent articial noise. II) Security techniques for orthogonalfrequency-division multiplexing (OFDM)-based waveforms. This includesdeveloping new designs that cover the following topics: 1) OFDM withadaptive interleaving and precoding. 2) OFDM with subcarrier index selectionfor enhancing security and reliability of 5G services. 3) Cyclic prex (CP)-lessOFDM with alignment signals for enhancing spectral eciency, reducing latency,and improving PHY security of 5G and beyond services. III) New inherentlysecure waveform designs, where a secure channel-based transform waveform, referredto as orthogonal transform division multiplexing (OTDM) waveform, isdeveloped and proposed for future 5G wireless systems. Then, its time-frequencycharacteristics are investigated along with devising a method to reduce its peakto average power ratio. IV) Security designs for orthogonal space-time block coding(OSTBC)-based multi-input-single-output (MISO) systems, where precodingmatrix indicators (PMI) are utilized and redesigned for providing secrecy.