认知无线通信系统物理层的安全

文摘

而连接的无线通信系统提供的手段几乎无处不在,,交流安全需要更多的关注。尽管当前的努力提供解决方案具体问题在给定的情况下,这些方法既不适应也不足够灵活来提供安全动态条件下使安全隐患的一个重要问题。摘要认知安全(CS)的概念提出了无线通信系统物理层,目的是提供一个全面的解决方案,无线安全问题。该方法将使全面的安全,以确保一个健壮的和可靠的通信在对手的存在提供自适应通信系统的安全解决方案利用物理层安全从不同的角度来看。适应能力依赖于事实无线电调整传播特性来满足安全通信基于特定条件给出用户密度,特定于应用程序的适应性和位置在CS概念。因此,而不是提供任何类型的新的安全机制,提出了无线电能采取必要的预防措施根据这些条件在袭击发生之前。研究了各种访问场景使CS同时考虑这些条件。

1。介绍

无线技术的普及在我们的日常生活中导致越来越对这些技术的需求。而普遍的无线通信系统向用户提供了无可争辩的优势,由于开放无线信号的广播性质,沟通交流是暴露在敌人的攻击。相对于有线同行,增强流动性支持的无线通信系统带来严重的安全漏洞的障碍从物理层到应用层。保护无线信号从恶意攻击,安全措施应提供给用户。在现有的无线通信系统中,安全问题解决在上层通过各种加密技术。实现加密的方式生成的消息和一个密钥加密使用密码,也就是说,一个加密算法,在信号传输。接收者可以使用相同的密钥来解密消息。然而,由于加密是一种保护信息在上层,它不会阻止信号被探测到的敌人在中。此外,加密增加了基础设施的开销和功耗要启用身份验证,这可能不是可行的一些应用,如无线传感器网络(1]。数据安全在无线领域必须适应新的无线通信模式变得更加适应和灵活。为此,实现物理层通信安全最近成为一个感兴趣的领域。现有的安全威胁在物理层可以分为三组:窃听、干扰和欺骗如图1。在物理层安全研究中,合法的发射机,合法的接收器,和被动攻击者是象征,分别是爱丽丝,鲍勃,和夏娃。攻击者可能会被视为干扰机或哄骗者如果攻击者是活跃的。(1)窃听:当爱丽丝传递一个消息给鲍勃,接收机可以接收消息从消息传遍整个环境。窃听指情况前夕通过爱丽丝可以接收消息。需要防止窃听者的消息。(2)干扰:当Alice和Bob相互通信,将干扰噪声类型的信号传送到鲍勃交流腐蚀的目的。当Bob接收到信号的同时,合法的信号将收到的毫无意义的信号。因此,信号无法解码。这种类型的攻击是命名为干扰。当攻击举行,它需要被合法用户,并相应信号需要被保护。(3)欺骗:欺骗指的情况下攻击者欺骗了鲍勃。欺骗可以通过两种方式进行。(一)当爱丽丝停止传输信号,攻击者开始欺骗信号传输到鲍勃。(b)爱丽丝传送信号时,如果攻击者发送欺骗信号功率比爱丽丝的信号功率较高,鲍勃将得到攻击者的信号是合法的信号时,将考虑爱丽丝的信号作为干扰信号。类似于干扰情况下,这种攻击需要识别并应采取必要的预防措施。

在文献中,物理层安全研究主要集中在扩展频谱(SS)技术和渠道和权力基础的解决方案。在党卫军技术中,信号的能量分布在更广泛的频谱通过拥有更广泛的乐队。党卫军技术对干扰攻击和窃听尤其有用。在窃听情况下,这些技术用于实现拦截的低概率和检测。跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)是主要的党卫军技术用于文学。FHSS派生的跳跃与预定义的伪随机码信号频谱在DSSS信号的能量分布在广泛的伪噪声序列(PN)使噪声下的信号功率。(所2),这些技术可以用来提供安全干扰攻击某些漏洞。例如,FHSS技术可能对欺骗攻击是脆弱的。为了克服这个问题,一个基于传输抗干扰方案与加密方法生成一个安全的身份提出了(3]。因此,合法的收发器通信可以防止干扰和欺骗攻击。对干扰器DSSS方案的缺点是调查(4]。这个缺点是定义在这样一种方式,当干扰机的PN序列与发射机的PN序列,合法的接收者可以卡住了。为了解决这个缺点,作者提出一个有水印的DSSS方案。在这个方案中,一个身份验证信息嵌入PN序列对干扰攻击使系统更强的抵抗力。

在基于通道的解决方案,该频道的独特性特征可以用来提高安全性。因为Alice和Bob之间的通信信道是不同的从夏娃和鲍勃之间的通道,爱丽丝可以执行一个安全的通信通过其独特的渠道与鲍勃。人工噪声的影响,探讨了夏娃的存在中插入(5]。人工噪声插入的主要目标是降低夏娃的通道而不会影响鲍勃的通道。实现这一目标,爱丽丝故意添加噪声鲍勃的零空间的通道。因为夜不知道故意添加噪声,她不能正确检测信号。因此,安全通信将满足即使前夕的通道是未知的。首先,窃听和欺骗是可以预防的基于通道的解决方案。

执政基础的解决方案,接收信号强度(RSS)和定向天线是用来提供安全保障。RSS是利用检测主用户(PU)模拟攻击(6]。在认知无线电网络,有脓和二级用户(SUs)。SUs使用授权频谱的脓。如果聚氨酯利用任何乐队在其频谱,苏不使用相同的乐队为了不造成干扰PU。确定哪些乐队是利用聚氨酯,苏可以使用频谱感知算法。在环境中可能有欺骗器欺骗SUs伪装聚氨酯。验证算法检测欺骗器提出了(6)利用合法发射机的信号特征和位置。RSS测量无线传感器网络内执行。估计所有发射机的位置都可以通过识别RSS峰值。在[7),定向天线探索干扰攻击而不是更传统的全向天线。连通性维护与定向天线干扰下攻击。因为有多个天线在鲍勃,某些天线可以很容易地重新配置朝着一个方向以外的方向干扰信号来自哪里。在这种情况下,发射器可以保持连通性与合法接收更高的数据率相比,全向天线的使用情况。怀纳介绍了窃听渠道,即偷听者的通道,在8]。他的目标是在渲染给出的信号意义。为了达到这个目标,怀纳利用信噪比(信噪比)的差异观察到鲍勃和夏娃。如果夏娃的信噪比低于鲍勃的信噪比,爱丽丝可以启动与鲍勃没有任何信息泄露一个秘密沟通前夕通过编码。

虽然上述研究只在物理层提供一个安全,安全在跨层进行以下研究。跨层的需求和利益的安全提出了无线传感器网络(WSN) (9]。在[解释9),跨层设计应该工作协作检测的敌人同时启用有效功耗。通过跨层利用入侵检测提出了(10]。证明安全利用获得的数据来自不同层链接和网络层等显著增加相比单一分层安全解决方案的真正积极的利率。

除了研究专注于特定的安全问题,在一些研究中,物理层安全文献调查。在这些论文,作者从不同的角度检查安全研究。在[11,12,从一个更大的图片13,14),作者调查认知网络的安全。虽然作者在15)解释了安全问题在卫生保健领域,作者在16在智能电网应用程序)看看这些问题。

2。动机

尽管现有的努力满足用户的安全需求在一定条件下和特定的无线通信系统,他们可能会失败。例如,由于通道解决方案完全依赖基于通道条件,而这些解决方案将工作当合法收发器是静态的,互惠的通道,这些解决方案会失败时合法的收发器移动或执行基于频分双工通信。另外,党卫军技术可以用来保护数据免受干扰攻击和窃听。当有诱骗设备环境中,如果一个额外的保护算法(3)不是提议,党卫军技术将会失败。此外,使用一个额外的算法会增加合法的收发器的复杂性。党卫军技术的另一个问题是与PN或跳频序列的共享。当一个合法的发射机发送PN或跳频序列的一个合法的接收器,如果序列没有保护,一个非法的节点可以捕获这个秘密信息。因此,非法节点很容易窃听,果酱,或者冒充合法接收器。节中解释1可以执行、本地化与权力基础的解决方案。在基于RSS的定位,认为非法节点使用全向天线和多个接收器测量的RSS节点能够执行真正的本地化。如果非法节点采用定向天线,本地化会失败(17]。另一方面,由于偷听者的位置是未知的,权力基础的解决方案不能对窃听者提供安全保障。

所有的这些弱点的现有解决方案表明安全威胁的必要性需要调查与物理层的更全面的解决方案。在这项研究中,我们提出认知安全(CS)概念,提供自适应通信系统的安全解决方案利用物理层安全从不同的角度来看。适应能力依赖于事实无线电调整传播特性来满足安全通信基于特定的条件。本文的条件被定义为用户密度,特定于应用程序的适应,和位置。请注意,在现有的努力,提供安全合法的收发器时受到攻击(年代)。然而,执行安全在CS概念在攻击发生之前。换句话说,CS提出需要采取必要的预防措施在袭击发生前根据条件在随后的章节中详细解释。因此,系统将调整广播的传播参数对可能的威胁。用给定的条件下,CS(我)提高无线通信系统的可靠性:由于收发器能够调整安全级别,增加安全自适应地将自动增加通信系统的整体可靠性。尤其是当接收机干扰攻击下,最重要的问题之一是满足可靠通信,保证服务的质量要求。在这种情况下计算机科学将发挥重要作用。(2)降低系统复杂性:主动攻击者需要检测到当前的安全机制。这需要额外的算法在系统中实现。CS概念以来,检测攻击者并不需要,这将减少造成的复杂性使用额外的算法。随着这些优势,CS也应该(我)增加数据速率:提供安全通信的无线电资源分配可以减少的情况下,不需要高水平的安全由于低概率的威胁。例如,如果安全是基于位置,让我们说,在农村地区,安全级别降低相比,城市地区。因为一些资源分配提供安全仍将是空的,这些资源将用于数据通信。因此,生活在农村地区的用户将有更高的数据速率。(2)减少能源消耗,降低消耗的能量是很重要的在通信系统,例如,在移动设备。如果安全级别降低上行,移动设备能够传输相同的数据在时间由于数据率会更高。

3所示。认知安全概念

认知物理层安全系统模型如图2。收音机结合了从广播频道获得相关信息和环境。基于可用的知识,检测到上下文中。为了提高检测性能,声明从上层可以获得的信息。后一个关联的安全机制是由收音机,安全可以调整的水平作为威胁的强度的函数。

在这项研究中,我们定义了三个CS概念:用户密度,特定于应用程序的适应性和位置。

3.1。用户密度

用户密度是指单位面积上的用户数量。如果用户的数量高在一个给定的区域相比,预定的正常的,例如,学校和医院,它可以表示,该地区有高密度的用户数量和命名为高用户密度通过论文的其余部分。从安全的角度来看,用户密度高是一个重要的参数,特别是对CS概念。就像前面提到的1,有三个在物理层安全研究的威胁。收音机可以智能地提供安全通信尽管这三个群体可能发生相关用户密度。等特定的地方医院、写字楼、机场,安全是非常重要的。干扰器、窃听者或欺骗器将存在于这样的地方,如图3。在[18窃听的概率),作者定义在一个给定的地区(或攻击) 。 在哪里是节点的密度。对于一个给定的区域,当节点密度增加,窃听的概率增加。

密度是由无线电探测数据。在高用户密集区域,因为大多数的资源将被用户密度的检测可以通过观察一次分配资源的总数。在检测到高密度时,攻击者也许都是以击沉船只旨在影响合法用户之间的交流,例如,病人和医生在医院里。植入式医疗器械(imd)如除颤器和和平中植入病人的身体和监视和控制通过医生的帮助下外部单元无线。这个无线自然会让imd容易受到攻击,这可能扰乱通信干扰或被欺骗合法接收者发送错误的信息。在这两种情况下,如果病人情况危急,需要紧急治疗,因为医生将无法知道由于干扰或欺骗病人的情况,他/她不会对他/她的病人。为病人因此结果可能是致命的。在这种情况下,免疫攻击,收音机可能增加安全性。如果用户密度高源于办公大楼,合法用户可能被窃听。偷听者的目的是获取公司的关键信息。 Another important issue is that there might be many jammers, eavesdroppers, or spoofers who work collaboratively in high user dense areas. The security can possibly be improved significantly by adaptively adjusting the propagation parameters of the radio.

可能有各种原因等用户聚集在一个特定区域的体育场,医院,学校,或机场。因为它是不可能的一个无线电检测用户的收集、的原因可以从上层获得必要的信息。例如,如果用户在高密度区域发送重要文件,这可以检测到上层,这信息是提供给收音机。基于此通知、广播可以考虑密度源于员工在办公室工作。这种类型的安全方法命名为跨层安全的文献[9]。中定义的部分2计算机科学的关键优势之一是增加数据速率。如果不考虑整体分析,数据速率在某些情况下可能会减少不必要的。例如,假设在办公大楼的安全应该高于体育场馆的安全。因为收音机没有用户的原因收集,它会增加安全水平在所有高用户密集的地区。这可能不是理想的每一个情况。相同数量的用户数据,高安全通信可能需要更多的资源分配更少的安全通信。因此,相关密集地区的数据率会降低。密度的问题出现在体育场时,数据速率将变得更加重要。球场的安全级别不应该在办公室一样的一块。这种情况可以被认为是错误的概率增加的安全级别。

3.2。特定于应用程序的适应性

特定于应用程序指的是不同的领域,如军事、商业、和健康监测中使用收音机。无线通信通常是举行在这些领域。减少或减轻干扰,不同频段分配给每个字段。这些不同的乐队带来重要的上下文信息的广播。这有助于收音机检测应用程序的类型的沟通已经应验了。

每个应用程序都有不同的安全需求。虽然是军事通信的高,这可能是低对于商业应用程序,例如蜂窝通信。确保安全通信需要分配更多的资源和更高的数据速率是至关重要的商业领域。尽可能多的资源分配在军事通信出于安全原因进行沟通在商业领域可能会因此不可行。在任何情况下,通信收发器时需要提供安全攻击。现有安全威胁将基于不同时间和地点为每个应用程序通信在哪里举行。例如,当国家在和平,被动攻击窃听将是重要的军事交流。但是,如果有紧急情况,比如战斗,干扰和欺骗是非常严重的问题。在这些类型的情况下,安全需要进行相应的调整。现有的算法,提出了保护数据免受窃听者可能无法提供安全的干扰或欺骗的场景中提到的部分2。这表明保护通信对每种类型的攻击需要不同的解决方案。在任何紧急情况下,军方可能需要接触全国公众或可能需要额外的资源交流。为了满足这种需求,军方利用某些无处不在的结构如蜂窝基站和广播天线。尽管安全级别可能会降低在蜂窝通信军事相比,当紧急情况发生时,应该能够探测到电台和适应新的情况。由于细胞或广播结构是不适合实现相同的安全方法,收音机应该提供更多的安全通信通过物理层的安全机制。,军队会保护其通信干扰和欺骗攻击。如果安全级别取决于应用程序,它需要自适应控制。

另一个重要应用是物联网未来无线网络(物联网)。植入式医疗器械等各种类型的技术(imd),系统和自主车辆将分享物联网的乐队。这些不同的技术可能需要不同的安全级别。例如,虽然为IMD提供高度安全至关重要,它可能需要更少的安全控制等智能家居应用冰箱在互联网上。因此,计算机科学将发挥重要作用在5 g和超越网络提供必要和调整方面的安全性和数据率为每个应用程序的需求。

3.3。位置

特定位置或社会环境的沟通是实现是计算机科学的一个重要参数的概念。对一些设备,如无人机(uav),位置信息是需要找到他们的地理位置。因此,重要的是要提供基于位置信息的安全攻击。可以说,之间存在高度相关的安全威胁的类型和位置。例如,对于vehicle-to-vehicle (V2V)沟通,位置决定了类型的车辆之间的通信。背靠背两辆车走在路上时,沟通是执行维护车辆之间的最小距离,即缓冲空间,通过传感器在任何时候不引发事故。另外,当两辆车遇到一个十字路口,有一个重要的决策过程,沟通的类型是不同的。一个问题是订单的车辆穿过十字路口19]。虽然这个例子突出位置的重要性V2V沟通的类型而言,这个位置信息也满足车辆之间的安全通信的关键。交点的两辆车需要相互交流,同时监测的测量传感器来检测任何可能的后方车辆。这可能会导致一些安全漏洞攻击的车辆在十字路口点如图3。在这种情况下,有两种可能的安全问题:干扰和欺骗。攻击者可能破坏通信的车辆或发送相同的消息的优先级等两辆车谁先能通过。这两种情况下最终会引发事故。可以显著提高安全级别如果收音机能够检测到的位置。因此,事故可能杜绝。

在社会环境方面,三种类型的环境可以认为:农村、郊区和城市地区。环境类型之间的主要区别是人口密度。在这一点上,重要的是要强调,社会环境不应混淆用户密度的检测能力。如前所述,用户密度定义涵盖了小面积如体育馆和学校,并且它可以在城市,郊区和农村地区。然而,环境覆盖整个城市,郊区或农村地区的定义。

在无线通信中,环境信息的能力是很重要的。例如,增加容量,不同基站的部署策略(BSs)应用。虽然BSs的覆盖范围高达1 - 2公里足以为用户服务在农村地区,小BSs的覆盖面积大约是10 - 200米需要部署在城市地区,以满足用户的需求。提供一个安全的通信,环境是一个重要的参数。基于环境类型,安全需要是不同的,尤其是在公共安全上下文。城市的犯罪率高得多。例如,39犯罪记录每1000居民在农村地区79年犯罪报道在城市在英格兰(20.]。为了降低犯罪率,政府需要采取必要的预防措施。当犯罪或紧急情况发生时,系统的每个单元,例如,移动设备和网络,应该协调工作和安全,这样政府有关代理可以立即采取行动。如果系统受到干扰或者欺骗攻击,沟通可能会中断。因此,应该为每个单元提供高安全级别。以来,大多数时间,是这样的城市地区,电台应该自适应增加的安全基于环境信息的无线系统。总之,环境的类型也决定了安全的安全级别,而不是本身。

图4显示安全需求之间的关系和环境的类型攻击的概率。这个图是画,不是基于模拟,帮助读者理解这个关系。攻击的概率增加的城市相比,农村地区。可视化,增加攻击的概率增加资源的使用出于安全原因,也会导致降低数据率。

另一个位置信息的重要性是相关设备的无人机等依赖于准确的地理位置。而无人机地面站可以控制,他们也可以预先安装的位置信息和自动执行的职责和使命。在这两种情况下,无人机需要位置信息来自全球定位系统(GPS)卫星。攻击者会打算破坏无人机和GPS卫星之间的通信。

请注意,无人机用于不同的目的在不同的地区。时用于公共安全监管,他们也用于科学研究,为救灾,在武装袭击。每种类型的使用可能需要不同级别的安全定位。而安全的低水平可能不足以提供通信在灾难救援情况下,目的是获得高数据率、高水平的武装袭击的安全是必要的。另一方面,当一个国家在战争中,无人机用于其他用途,如用于商业使用也可以用来保卫国家抵御敌人。因为敌人的目标将是破坏或恶搞无人机和GPS卫星之间的通信,无人机将需要增加相应的安全不受到伤害或控制的敌人。

正如上面强调的,本研究的目的是根据某些条件下采取必要的预防措施;任何类型的新的安全机制是因此不建议在CS概念。相反,三个不同的条件帮助电台决定是否安全是一个需要。在表1的好处,CS概念相关的安全威胁是参军。在安全需要时,可以利用任何当前的安全解决方案。在这一点上,值得一提的是,CS不应被混淆与上下文感知安全概念。在上下文感知安全,主要是由不同的传感器获得的信息。基于这些信息,系统在上层试图检测是否有攻击。如果是这样,那么,必要的安全算法。换句话说,在上下文感知安全焦点是提供必要的安全当它是一个需要根据上下文信息,例如温度、速度等(21在传统方法在安全研究[13,14]。在CS,安全需要根据条件决定不管发生的攻击。

在图5,我们比较了CS与固定安全(FS)的安全级别是相同的任何条件,为用户密度情况下的速度与窃听者的数量。率计算 ,在那里是天线指数。在(1),当用户在特定区域密度增加,窃听的概率也增加了。基于(1),我们意识到这增加越来越多的窃听者的形象。我们假设爱丽丝传输信号从多个天线和鲍勃有多个窃听者协同工作。我们假设发射机利用多个天线与人工噪声提供安全与鲍勃在沟通。调用信号通过多个天线可以被视为多维信号,其中一个维度是分配给数据传输鲍勃,其余的用于人工噪声传播。在FS的例子中,我们假设爱丽丝发射天线的数量是固定的。在这种情况下,当窃听者数量的增加,夏娃的速率也会增加。因为只有固定数量的天线是用来发送人工噪声信号所需的安全将只实现的情况下,窃听者的数量小于维度的数量分配人工噪声发射机。因此,窃听者的总和率将增加增加合作恶意节点的数量。在这种情况下,Bob的速度将保持不变。在CS的情况下,人工噪声传播维度的数量的爱丽丝与窃听者的数量变化的环境。 While the security level of eavesdropper stays the same because of having constant rate, Alice’s rate decreases. It is because the total transmit power of Alice is fixed and shared between the data and artificial noise signals.

4所示。结论和开放的问题

提供无线通信的安全是一个关键的任务。在本文中,我们集中在物理层的安全,我们提出CS概念。无线电能适应CS的安全水平通过考虑三种不同的条件被定义为用户密度,特定于应用程序的适应,和位置。这些条件出现某些挑战,可以列出如下。

4.1。如何检测如果条件存在吗?

安全自适应,确保上下文信息的检测能力是至关重要的。虽然一些上下文的信息,比如用户密度很容易通过可用的频谱检测传感技术(22),等他们中的一些特定于应用程序的,这是一个艰巨的任务。节中解释3.2在战斗中,当国家和军队需要使用细胞站和沟通频率,电台应该有能力增加安全。在这里,问题是如何收音机意识到情况。如果有一个需要获得上层的一些参数检测上下文信息,应该与这些层广播合作如何?各层之间的合作也是一个跨层的技术(9]。

4.2。如何确定正确的声明上下文呢?

就像前面提到的3.1详细的知识可能需要适应检测后的安全级别上下文信息的存在。例如,用户收集的原因可以是一个娱乐事件,可能不需要一个高安全级别虽然可以在业务环境的需要。一个如何区分的声明上下文成为一个热门话题。

4.3。可以使用什么类型的安全机制和电台应该分配多少资源?

有许多研究,以保护通信物理层大部分关注具体情况。检测之后,尤其是上下文信息和识别正确的语句,第三步是:“除了当前的努力,应该执行什么类型的安全机制取决于从环境和上层捕获的信息吗?“将这种新方法比现有的努力提供更高的安全吗?的上下文会有补救措施?无论提出了一种新的方法或使用任何现有的解决方案,安全级别调整如何?例如,基于安全威胁,在物理层波形可以确定。如果有干扰攻击,可以利用扩频波形。在这种情况下,安全级别可以被视为处理增益,即传播的数量。最后需要注意的一点是,一个特定的技术变化的适应能力的安全需求也应该被考虑。例如,传输的一些用户可能是一个限制因素可能会限制安全级别的灵活性在人工噪声插入的基础技术。另外,在党卫军,总可用带宽需要考虑在执行适应。

在这项研究中,我们提供了不同的条件使CS。然而,强调各种新的上下文信息可以集成到CS概念通过无线通信系统的动态特性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文部分支持的科学技术研究委员会批准号下的土耳其(图)114 e244。

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