پدافند الکترونیکی و سایبری

پدافند الکترونیکی و سایبری

بهبود امنیت لایه فیزیکی در شبکه 5G مبتنی بر عملکرد مشارکتی گره‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
2 استادیار، دانشگاه امام حسین(ع) ، تهران ، ایران
چکیده
با گسترش شبکه‌های بی‌سیم 5G و نیاز به تبادل اطلاعات حساس، تأمین امنیت به چالشی اساسی تبدیل‌شده است. روش‌های رمزنگاری سنتی، باوجود پیچیدگی الگوریتم‌ها، در برابر پیشرفت‌های فناوری آسیب‌پذیر هستند و برای تبادل کلیدهای رمزنگاری به کانال‌های ارتباطی امن نیاز دارند. این مقاله به بررسی راهکارهای امنیت لایه فیزیکی (PLS) می‌پردازد که با بهره‌گیری از ویژگی‌های ذاتی کانال‌های مخابراتی بی‌سیم، امکان تبادل امن داده‌ها را فراهم می‌آورد. سیستم پیشنهادی در این مقاله یک سیستم ارتباطی بی‌سیم چندآنتنه است که کاربران از طریق گره رله و در حضور گره استراق سمع‌ کننده به تبادل امن اطلاعات می‌پردازند. برای مقابله با شنود، راهکار تداخل مشارکتی در دو فاز مجزا ارائه می‌شود که با شکل‌دهی پرتوی تداخل ساختگی و شکل‌دهی پرتوی دریافت اطلاعات، نسبت سیگنال به تداخل و نویز (SINR) را در گره استراق سمع‌ کننده کاهش و در گره‌های مجاز افزایش می‌دهد. طراحی بهینه سیستم با روش آزادسازی نیمه معین (SDR) حل‌شده و طرح شکل‌دهی پرتوی ارسال اجبار به صفر (TZF) نیز برای مقایسه با عملکرد بهینه معرفی‌شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که طرح بهینه، نرخ محرمانگی متوسط را نسبت به طرح TZF و سیستم مرجع به ترتیب bps/Hz 98/11 و bps/Hz 33/16 بهبود داده و احتمال قطع لینک شنود را به 81 درصد می‌رساند. در این میان، طرح TZF با عملکردی قابل‌قبول نسبت به سیستم مرجع، نرخ محرمانگی را به میزان bps/Hz 35/4 بهبود داده و احتمال قطع لینک شنود را به 9/0 درصد افزایش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Improving Physical Layer Security in 5G Networks Based on Cooperative Node Performance

نویسندگان English

Amir Roostaei 1
.R Esfahani 2
1 PhD student,, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Imam Hossein (AS) University, Tehran, Iran
چکیده English

With the expansion of 5G wireless networks and the need for sensitive information exchange, security has become a fundamental challenge. Traditional cryptographic methods, despite their algorithmic complexity, are vulnerable to technological advancements and require secure communication channels for cryptographic key exchange. This paper examines Physical Layer Security (PLS) solutions that enable secure data exchange by utilizing the inherent characteristics of wireless communication channels. The proposed system in this paper is a multi-antenna wireless communication system where users exchange secure information through a relay node in the presence of an eavesdropping node. To counter eavesdropping, a cooperative interference strategy is presented in two distinct phases, which, through artificial interference beamforming and information reception beamforming, reduces the Signal-to-Interference-and-Noise Ratio (SINR) at the eavesdropping node while increasing it at authorized nodes. The optimal system design is solved using Semi-Definite Relaxation (SDR), and the Transmit Zero-Forcing (TZF) beamforming scheme is also introduced for comparison with optimal performance. Simulation results show that the optimal scheme improves the average secrecy rate by 11.98 bps/Hz and 16.33 bps/Hz compared to the TZF scheme and reference system, respectively, and achieves an eavesdropping link outage probability of 81%. Meanwhile, the TZF scheme, with acceptable performance compared to the reference system, improves the secrecy rate by 4.35 bps/Hz and increases the eavesdropping link outage probability to 0.9%.

کلیدواژه‌ها English

Physical Layer Security
Eavesdropping Link Outage Probability
Cooperative Interference
Beamforming
1.     M. Harvanek, J. Bolcek, J. Kufa, L. Polak, M. Simka, and R. Marsalek, “Survey on 5G Physical Layer Security Threats and Countermeasures,” Sensors, vol. 24, pp. 5523, 2024. DOI: 10.3390/s24175523.
2.     H. Salman, M. S. J. Solaija, and H. Arslan, “Towards a Unified Framework for Physical Layer Security in 5G and Beyond Networks,” IEEE Open Journal of Vehicular Technology, vol. 3, pp. 321-343, 2022. DOI: 10.1109/OJVT.2022.3183218.
3.     A. D. Wyner, “The wire-tap channel,” in The Bell System Technical Journal, vol. 54, pp. 1355-1387, 1975. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02040.x.
4.     L. Mucchi et al., “Physical-Layer Security in 6G Networks,” in IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 2, pp. 1901-1914, 2021. DOI: 10.1109/OJCOMS.2021.3103735.
5.     S. Zhao, J. Liu, Y. Shen, X. Jiang and N. Shiratori, “Secure Beamforming for Full-Duplex MIMO Two-Way Untrusted Relay Systems,” in IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 15, pp. 3775-3790, 2020. DOI: 10.1109/TIFS.2020.3001733.
6.     H. Guo, Z. Yang, L. Zhang, J. Zhu and Y. Zou, “Joint Cooperative Beamforming and Jamming for Physical-Layer Security of Decode-and-Forward Relay Networks,” in IEEE Access, vol. 5, pp. 19620-19630, 2017. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2752199.
7.     A. Salem and K. A. Hamdi, “Improving Physical Layer Security of AF Relay Networks via Beam-Forming and Jamming,” IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), 2016.
8.     L. Yang, J. Chen, H. Jiang, S. A. Vorobyov and H. Zhang, “Optimal Relay Selection for Secure Cooperative Communications With an Adaptive Eavesdropper,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, pp. 26-42, 2017. DOI: 10.1109/TWC.2016.2617328.
9.     M. Chen and Y. Chen, “Eavesdropping Interference in Wireless Communication Networks Based on Physical Layer Security,” International Journal of Advanced Computer Science and Applications (IJACSA), vol. 15, 2024. DOI: 10.14569/IJACSA.2024.0150939.
10.   M. Tatar Mamaghani, A. Kuhestani and K. -K. Wong, “Secure Two-Way Transmission via Wireless-Powered Untrusted Relay and External Jammer,” in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, pp. 8451-8465, 2018. DOI: 10.1109/TVT.2018.2848648.
12.   H. Saedi, A. Mohammadi and A. Kuhestani, “Secure Communication with a Multiple-Antennas Untrusted Relay in Presence of Randomly Distributed Adversary Jammers,” Physical Communication, vol. 66, pp. 102463, 2024. DOI: 10.1016/j.phycom.2024.102463.
13.   A. H. Gazestani, S. A. Ghorashi, B. Mousavinasab, and M. Shikh-Bahaei, “A Survey on Implementation and Applications of Full Duplex Wireless Communications,” Physical Communication, vol. 34, pp. 121-134, 2019. DOI: 10.1016/j.phycom.2019.03.006.
14.   T. -X. Zheng, H. -M. Wang, Q. Yang and M. H. Lee, “Safeguarding Decentralized Wireless Networks Using Full-Duplex Jamming Receivers,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, pp. 278-292, 2017. DOI: 10.1109/TWC.2016.2622689.
15.   A. Sinouvassane and G. Nagarajan, “Performance Of Full-Duplex One-Way And Two-Way Cooperative Relaying Networks,” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science (IJEECS), vol. 9, pp. 526-538, 2024. DOI: 10.11591/ijeecs.v9.i2.pp526-538.
16.   K. Pärlin, T. Riihonen, V. Le Nir and M. Adrat, “Physical-Layer Reliability of Drones and Their Counter-Measures: Full Versus Half Duplex,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 23, pp. 1535-1549, 2024. DOI: 10.1109/TWC.2023.3290257.
18.   H. Khodadadi and S. Falsafi, “Improving Security in Wireless Telecommunication Networks Using Directional Modulation and Artificial Noise,” Journal of Electronic and Cyber Defense, vol. 10, pp. 11-18, 2022. DOR: 20.1001.1.23224347.1401.10.4.2.2. (in Persian).
20.   Y. Li, R. Zhao, L. Fan and A. Liu, “Antenna Mode Switching for Full-Duplex Destination-Based Jamming Secure Transmission,” in IEEE Access, vol. 6, pp. 9442-9453, 2018. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2791638.
21.   Z. Mobini, M. Mohammadi and C. Tellambura, “Wireless-Powered Full-Duplex Relay and Friendly Jamming for Secure Cooperative Communications,” in IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 14, pp. 621-634, 2019. DOI: 10.1109/TIFS.2018.2859593.
22.   W. Wang, K. C. Teh and K. H. Li, “Secrecy Throughput Maximization for MISO Multi-Eavesdropper Wiretap Channels,” in IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 12, pp. 505-515, 2017. DOI: 10.1109/TIFS.2016.2620279.
23.   X. Tang, P. Ren and Z. Han, “Power-Efficient Secure Transmission Against Full-Duplex Active Eavesdropper: A Game-Theoretic Framework,” in IEEE Access, vol. 5, pp. 24632-24645. 2017. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2767283.
24.   M. Mohammadi, B. K. Chalise, H. A. Suraweera, C. Zhong, G. Zheng and I. Krikidis, “Throughput Analysis and Optimization of Wireless-Powered Multiple Antenna Full-Duplex Relay Systems,” in IEEE Transactions on Communications, vol. 64, pp. 1769-1785, 2016. DOI: 10.1109/TCOMM.2016.2527785.
25.   W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky and W. T. Vetterling, “Sherman-Morrison Formula,” in Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, Cambridge, England: Cambridge Univ. Press, pp. 65-67, 1992.
26.   CVX Research Inc., “CVX: Matlab Software for Disciplined Convex Programming, Version 2.2,” http://cvxr.com/cvx, 2020.
27.   C. Zhong, X. Jiang, F. Qu and Z. Zhang, “Multi-Antenna Wireless Legitimate Surveillance Systems: Design and Performance Analysis,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, pp. 4585-4599. 2017. DOI: 10.1109/TWC.2017.2700379.
28.G. Chopra, R. K. Jha and S. Jain, “A survey on ultra-dense network and emerging technologies: Security challenges and possible solutions,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 95, pp. 54-78. 2017. DOI: 10.1016/j.jnca.2017.07.007
دوره 13، شماره 3 - شماره پیاپی 51
پاییز
پاییز 1404
صفحه 115-129

  • تاریخ دریافت 31 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 09 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 22 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 آبان 1404