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.
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.
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).
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.
ResumoNeste trabalho, considera-se a transmissão de mensagem confidencial em um canal sem fio em que transmissor, receptor e escuta possuem múltiplas antenas.O trabalho divide-se em duas partes.Na primeira parte analisamos a capacidade de sigilo ergódica e a probabilidade de indisponibilidade de sigilo para os cenários em que o canal é ergódico e não ergódico respectivamente, ambos na presença de desvanecimento estacionário com distribuição Rayleigh e considerando conhecimento do estado do canal (CSI) no receptor e na escuta.No cenário ergódico, deriva-se uma nova expressão fechada para a capacidade ergódica de sistemas em que há conhecimento do estado do canal no transmissor (CSIT) do canal principal e do canal de escuta, no qual permite-se que matriz covariância varie no tempo.Também deriva-se um limite inferior para capacidade de sigilo com CSIT, no qual a matriz covariância é fixa no período de transmissão.A primeira expressão é restrita ao limite da alta relação sinal ruído (SNR), e n t antenas no transmissor, n r antenas no receptor (n r n t )en e = n t antenas na escuta (arranjo n t ⇥ n r ⇥ n t ).A segunda expressão é restrita ao arranjo de antenas n t ⇥ n t ⇥ n t e potência do ruído do canal principal e do canal de escuta iguais.No cenário não ergódico, deriva-se uma nova expressão fechada para a probabilidade de indisponibilidade de sigilo no limite da alta SNR, em um arranjo de antenas 2 ⇥ n r ⇥ 2c o mn r 2. Também calcula-se um limite superior para a probabilidade de indisponibilidade de sigilo para outros arranjos de antena.Na segunda parte, considera-se uma escuta ativa que é capaz de atacar de forma inteligente o processo de estimação de canal.Focando em sistemas de transmissão baseados na decomposição generalizada em valores singulares (GSVD), diferentes técnicas de ataque são propostas e simulações computacionais são utilizadas para avaliar a eficiência de cada uma delas.
As assinaturas digitais são de fundamental importância para as comunicações eletrônicas no mundo todo por garantirem a integridade e autenticidade da informação. Com os avanços da ciência nas áreas da mecânica quântica e a introdução destes novos conceitos nas telecomunicações, a segurança da informação também precisou evoluir e cada vez mais se tem buscado novos sistemas de segurança que forneçam maior integridade e autenticidade que os sistemas clássicos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é utilizar as propriedades do problema QSCDff , para a criação de um protocolo de assinatura quântica de mensagens. O problema QSCD ff possui propriedades matemáticas e computacionais para garantir a integridade e autenticidade das assinaturas geradas. O protocolo proposto faz uso de chaves descritas na forma de estados quânticos construídos a partir de permutações de um grupo simétrico e de uma função de hash para a compressão da mensagem original. Como entrada o protocolo recebe a mensagem clássica e uma chave privada. Para a geração do estado quântico da assinatura utiliza-se uma permutação como chave privada e o hash da mensagem. Gerar tal assinatura sem ter uma chave privada consiste em resolver um problema de encontrar automorfismos não triviais de grafos. A validação deste estado é feita através da aplicação do algoritmo quântico de busca de Grover. Por fim é mostrado que a probabilidade de falsificação da assinatura é negligenciável dado o número de cópias do estado da assinatura.
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.