A crescente demanda por sistemas de comunicação sem fio torna a segurança da informação transmitida um importante aspecto a ser considerado no desenvolvimento de novos sistemas. Desta forma, nesta tese abordamos diferentes estudos da segurança na camada física considerando cenários com regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. Com relação aos regimes parciais de segurança, investiga-se a eficiência energética segura (SEE, do inglês Secure Energy Efficiency) de uma rede cooperativa nos quais os requisitos parciais de segurança são implementados através de um parâmetro de equivocação fracionário, θ ϵ (0, 1], que permite segurança parcial quando θ < 1. Assume-se que somente a informação do estado do canal (CSI, do inglês Channel State Information) do canal legítimo está disponível, enquanto a CSI da escuta é desconhecida. Desta forma, propomos um esquema denominado CSI-Aided Decode-and-Forward (DF), em que o transmissor utiliza da CSI disponível do canal legítimo para escolha entre o caminho direto ou cooperativo. Além do mais, considera-se que o relay emprega Codificação de Repetição (CSI-RC), em que fonte e relay utilizam a mesma palavra-código, ou Codificação Paralela (CSI-PC), em que diferentes palavras-código são utilizadas. Para maximização da SEE, uma alocação conjunta de potência é proposta, utilizando o algoritmo Dinkelbach para alocação de potência, que também otimiza θ. Os esquemas propostos são comparados com o DF tradicional, Amplify-and-Forward (AF) e Cooperative Jamming (CJ). Estendendo a análise anterior, estuda-se a SEE para cenários cooperativos em que todos os nós são equipados com múltiplas antenas. É proposta uma alocação conjunta da taxa de confidencialidade e da alocação de potência em Alice e no relay de modo a maximizar a SEE sujeita a um limite em termos da mínima probabilidade de outage de segurança necessária. Considerando este cenário MIMO (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output) em que apenas a CSI do canal principal é conhecida por Alice, o esquema Artificial-Noise (AN) é comparado com o esquema CSI-Aided Decode-and-Forward. Por fim, considerando um cenário mais restritivo em relação à CSI, porém mais realista, em que a CSI de nenhum dos canais é conhecida, o throughput seguro é investigado em um cenário com atraso crítico, típico em comunicações machine-to-machine, no qual os usuários se comunicam com blocos de transmissão de tamanho finito. Nesta abordagem, o desempenho da comunicação direta é comparada com o protocolo cooperativo Selective Decode-and-Forward (SDF).
A crescente demanda por sistemas de comunicação sem fio torna a segurança da informação transmitida um importante aspecto a ser considerado no desenvolvimento de novos sistemas. Desta forma, nesta tese abordamos diferentes estudos da segurança na camada física considerando cenários com regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. Com relação aos regimes parciais de segurança, investiga-se a eficiência energética segura (SEE, do inglês Secure Energy Efficiency) de uma rede cooperativa nos quais os requisitos parciais de segurança são implementados através de um parâmetro de equivocação fracionário, θ ϵ (0, 1], que permite segurança parcial quando θ < 1. Assume-se que somente a informação do estado do canal (CSI, do inglês Channel State Information) do canal legítimo está disponível, enquanto a CSI da escuta é desconhecida. Desta forma, propomos um esquema denominado CSI-Aided Decode-and-Forward (DF), em que o transmissor utiliza da CSI disponível do canal legítimo para escolha entre o caminho direto ou cooperativo. Além do mais, considera-se que o relay emprega Codificação de Repetição (CSI-RC), em que fonte e relay utilizam a mesma palavra-código, ou Codificação Paralela (CSI-PC), em que diferentes palavras-código são utilizadas. Para maximização da SEE, uma alocação conjunta de potência é proposta, utilizando o algoritmo Dinkelbach para alocação de potência, que também otimiza θ. Os esquemas propostos são comparados com o DF tradicional, Amplify-and-Forward (AF) e Cooperative Jamming (CJ). Estendendo a análise anterior, estuda-se a SEE para cenários cooperativos em que todos os nós são equipados com múltiplas antenas. É proposta uma alocação conjunta da taxa de confidencialidade e da alocação de potência em Alice e no relay de modo a maximizar a SEE sujeita a um limite em termos da mínima probabilidade de outage de segurança necessária. Considerando este cenário MIMO (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output) em que apenas a CSI do canal principal é conhecida por Alice, o esquema Artificial-Noise (AN) é comparado com o esquema CSI-Aided Decode-and-Forward. Por fim, considerando um cenário mais restritivo em relação à CSI, porém mais realista, em que a CSI de nenhum dos canais é conhecida, o throughput seguro é investigado em um cenário com atraso crítico, típico em comunicações machine-to-machine, no qual os usuários se comunicam com blocos de transmissão de tamanho finito. Nesta abordagem, o desempenho da comunicação direta é comparada com o protocolo cooperativo Selective Decode-and-Forward (SDF).
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.
Neste trabalho, o desempenho em termos da probabilidade de outage de sigilo para uma rede cooperativa de dois saltos, em que o retransmissor é considerado ser não confiável, possuir energia restrita e operar sob o protocolo amplifica-e-encaminha, é investigado. A técnica de jamming baseado no destino é adotada para prevenir que o retransmissor obtenha informação a partir da mensagem da fonte. Adicionalmente, a fim de fornecer uma fonte de alimentação de energia para o retransmissor, três estratégias de transferência de energia sem fio são consideradas: alimentação a partir da fonte, alimentação a partir do destino, e alimentação conjunta a partir da fonte e destino. Para este propósito, em todas as estratégias de transferência de energia sem fio, o protocolo de comutação no tempo é usado, o qual se baseia na utilização de intervalos de tempo alternados para as fases de transferência de energia e transmissão de informação. Para os esquemas propostos, expressões assintóticas em forma fechada para a probabilidade de outage de sigilo são obtidas no regime de alta relação sinal-ruído. A acurácia dessas expressões é verificada por meio de simulações de Monte Carlo em diversos casos ilustrativos. O efeito de vários parâmetros chave do sistema sobre o desempenho de sigilo é investigado, incluindo o fator de alocação de tempo entre as fases de transferência de energia e transmissão de informação, o fator de alocação de potência entre a fonte e destino para a transmissão do sinal de informação e do sinal de jamming, respectivamente, e a posição relativa do retransmissor entre fonte e destino. Resultados numéricos mostram que a estratégia de alimentação conjunta a partir da fonte e destino supera as outras estratégias de transferência de energia sem fio, considerando um regime de média-a-alta relação sinal-ruído. Ao avaliar o impacto da posição do retransmissor, os resultados mostram que, conforme o retransmissor se aproxima da fonte, a melhor estratégia para garantir sigilo no processo de comunicação é obtida quando a estratégia de alimentação a partir da fonte é considerada.
Os últimos anos trouxeram um crescimento das comunicações sem fios, o que se refletiu numa maior preocupação com a segurança dos dados transmitidos entre dispositivos. Apesar da criptografia providenciar níveis satisfatórios de segurança, não é inquebrável, pelo que não se consegue garantir que não haja alguma fuga de informação. Nesse sentido, têm sido desenvolvidos métodos de introduzir segurança também na camada física, como complemento à segurança já existente.Recentemente, foi proposto um esquema que recorre a uma chave aleatória de interleaving, que é usada para baralhar a mensagem a transmitir, e que é, posteriormente, anexada à mesma, sendo ativado um jammer durante a transmissão dos bits correspondentes à chave gerada, de forma a criar uma vantagem em relação a um possível eavesdropper. Paralelamente a este, foi desenvolvido um esquema idêntico, mas em que os bits correspondentes à chave são apagados depois da mensagem ser codificada. Este último esquema parte do pressuposto da existência de uma vantagem do recetor legítimo face a um possível eavesdropper, expressa em termos de uma melhor relação sinal-ruído (por exemplo, a transmissão entre os intervenientes legítimos é realizada dentro de uma sala, garantindo que não existe um eavesdropper dentro da mesma), permitindo ao recetor legítimo a recuperação correta da chave, o que não é possível em situações de comunicação mais degradadas. Nesta dissertação é realizada a prova de conceito com a implementação em ambiente real de ambos os métodos em plataformas de rádio definido por software (SDR – Software Defined Radio), programadas com recurso ao MATLAB/Simulink. São, também, apresentados cenários de teste adequados, onde foram realizadas experiências que mostram a existência de um acréscimo de segurança introduzido por estes esquemas num cenário real. No decorrer da implementação, foi, ainda, proposta uma variação a ambos os esquemas, substituindo o interleaver por um scrambler, tendo sido obtidos resultados significativamente melhores. Nesta dissertação, são também descritos os problemas e dificuldades inerentes à implementação prática e teste de um sistema de comunicação genérico em plataformas SDR. Em concreto, e a título de exemplo, é proposto e foi implementado um processo de automatização dos testes, assente em comunicação sobre UDP, que permite a sincronização de vários SDRs (que modelam os sistemas transmissores e recetores), que pode ser aplicado a outros modelos de Simulink que representem um canal de escuta.Com estes resultados, mostra-se que os esquemas propostos cumprem os requisitos de garantir uma transmissão segura e fidedigna, podendo vir a ser um importante complemento à segurança das comunicações, principalmente em dispositivos móveis, como telemóveis (onde a segurança baseada em proximidade está a ganhar força) ou dispositivos da Internet das Coisas de baixo consumo, onde pode não ser possível utilizar os métodos da criptografia.
Neste trabalho, é proposta a utilização de uma versão aprimorada da taxa efetiva de transmissão segura (EST, do inglês Effective Secrecy Throughput) recentemente proposta na literatura como métrica de desempenho, a qual, além de levar em consideração a taxa de transmissão e a probabilidade de sigilo no receptor (Bob), também limita a probabilidade de que informações vazem para o espião (Eve). Desta forma, o modelo proposto limita, dentre todas as informações enviadas pelo transmissor (Alice), a quantidade máxima que poderá ser obtida por Eve. A nova métrica é chamada de taxa efetiva de transmissão segura com restrições de sigilo. Além de propor esta nova métrica de desempenho, é avaliado qual o impacto no desempenho do sistema quando consideradas transmissões em radiofrequência (RF, do inglês Radio Frequency) e transmissões ópticas em espaço livre (FSO, do inglês Free-Space Optical), em um cenário MIMOME (do inglês Multipleinput Multiple-output Multi-antenna Eavesdropper) que leva em consideração múltiplas antenas (ou aberturas) em Alice e Bob. Para o cenário FSO, é demonstrado como o uso de relays pode aumentar a EST do sistema. Resultados numéricos são então obtidos para verificar as expressões analíticas, demonstrando a influência no desempenho do sistema ao se limitar a quantidade máxima de informações que podem ser obtidas por Eve.
A elevada dependência das tecnologias de informação que se constata em quase todos setores de atividade, conduz à necessidade de aprimoramento de segurança nas redes de tele- comunicações. Muito se tem feito para o aprimoramento da segurança no nível de aplicação. Os siste- mas de autenticação são cada vez mais robustos e os algoritmos de encriptação são cada vez mais complexos. Mas o crescente aumento da capacidade dos processadores, a utilização de clouds para o processamento concorrente de informação, bem como o advento da computação quântica, deixam claro que é apenas uma questão de tempo para que qualquer algoritmo de encriptação seja quebrado. Por outro lado, uma informação encriptada pode ser detectada por um agente externo e mesmo que não consiga decifrar pode usar técnicas de processamento de sinal para compro- meter a integridade ou a disponibilidade da mesma. Assim sendo, não se pode confiar a segurança apenas à camada de aplicação, antes deve- se ter uma abordagem de segurança em profundidade. Portanto, a segurança no nível físico com recurso ao formalismo quântico surge como uma proposta complementar de segurança. A presente dissertação explorará a propriedade da sobreposição de estados lógicos dos qubits, para alterar a probabilidade de observação dos sinais transmitidos, de modo a tornar o sinal indetetável e indecifrável sem o conhecimento prévio da chave criptográfica. Para que seja um sistema de segurança forte, os qubits serão representados por wavelets pseudoaleató- rias com todas as caraterísticas estatísticas de ruído branco gaussiano.
Investiga-se a eficiência energética e o throughput seguros em sistemas de comunicações sem fio cooperativos, em que um par de usuários legítimos (Alice e Bob) são auxiliados por um nó relay e em que a comunicação ocorre na presença de um espião passivo (Eve). Diversos protocolos cooperativos são comparados em relação a estas medidas e se utiliza um algoritmo iterativo e distribuído, baseado no algoritmo Dinkelbach, para alocação de potência entre Alice e o relay. A alocação de potência é utilizada visando maximizar a eficiência energética segura, medida em bits seguros/J/Hz, ou o throughput seguro, medido em bits seguros/s/Hz. Em relação aos protocolos, consideramos o caso onde Alice tem conhecimento perfeito do estado instantâneo do canal apenas em relação aos usuários legítimos. Desta forma, empregamos o protocolo Decode-and-Forward Seletivo (SDF), que realiza a escolha entre o melhor tipo de comunicação entre Alice e Bob (comunicação direta ou cooperativa) de forma a aumentar a segurança do sistema. Para comparação, consideramos outros esquemas clássicos de cooperação como o Amplify-and-Forward (AF), Decode-and-Forward Fixo (DF) e o Cooperative Jamming (CJ). Nossos resultados demostram que o SDF supera o AF, o DF e o CJ em grande parte das situações. Contudo, quando a taxa de transmissão aumenta ou quando Eve está muito próxima aos nós legítimos, o CJ apresenta um melhor desempenho.