A Segurança na Camada física Sob Canal

XXXIV SIMPOSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAC¸ ´ OES - SBrT2016, 30 DE AGOSTO A 02 DE SETEMBRO, SANTAR ˜ EM, PA ´

Seguranc¸a na Camada F´ısica Sob Canal κ-µ com Sombreamento

M´arcia Manuela Nunes e Ugo Silva Dias

Resumo— Este artigo apresenta um estudo sobre a perfor mance da seguranc¸a em um canal κ-µ com sombreamento utilizando o modelo classico de escuta de Wyner. Este modelo de ´ canal de desvanecimento unifica modelos como a Gaussiana Uni lateral (do ingles, ˆ One-Sided Gaussian),a Rayleigh, a Nakagami-m e a Rice com sombreamento. Sao gerados e analisados gr ˜ aficos de ´ Probabilidade de Outage de Sigilo (do inglesˆ Secrecy Outage Prob ability) e Capacidade de Sigilo Estritamente Positivo (do inglesˆ Strictly Positive Secrecy Capacity) variando as caracter´ısticas do canal intruso e principal.

Palavras-Chave— Seguranc¸a na Camada F´ısica, Canal κ-µ com Sombreamento, probabilidade de Outage de seguranc¸a. Abstract— This article presents a secrecy performance study over an κ-µ shadowed channel using the classic Wyner’s wiretap model. This fading channel model unifies the one-sided Gaussian, Rayleigh, Nakagami-m and Rician shadow fading distributions. The Secrecy Outage Probability and Strictly Positive Secrecy Capacity graphs are generated and analysed, varying the char acterization of eavesdroppers and main channels.

Keywords— Physical Layer Secrecy, κ-µ Shadowed Channel, Secrecy Outage Probability.

I. INTRODUC¸ AO˜

A seguranc¸a ´e uma preocupac¸˜ao constante em redes sem fio, e o interesse em explorar a performance deste assunto na camada f´ısica tornou-se mais not ´orio. Com isso, as m´etricas de seguranc¸a sobre canais de desvanecimento tˆem auxiliado na caracterizac¸ ˜ao do cen´ario de propagac¸˜ao quando existem canais intrusos no sistema.

O estudo da probabilidade da Capacidade de Sigilo Estri tamente Positivo (SPSC) j´a foi realizado para sistemas sobre canais independentes de desvanecimento log-Normal com um ´unico intruso e com v´arios intrusos em [1] e [2], respectiva mente. Estudos sobre a SPSC sob canais de desvanecimento de Rice e Weibull foram realizados em [3] e [3], respecti vamente. A Probabilidade de Outage de Sigilo (SOP) sobre canais log-Normal foi investigada em [4]. Em [5], o canal de desvanecimento de Rayleigh foi utilizado para caracterizac¸ ˜ao da SPSC e da SOP para o modelo cl´assico de escuta de Wyner. Em [6] s˜ao apresentadas v´arias t´ecnicas de diversidade para aumentar a seguranc¸a em redes sem fio contra ataques de escuta. Alguns m´etodos de selec¸ ˜ao segura foram propostos com o objetivo de aumentar a seguranc¸a na camada f´ısica em redes sem fio cooperativas e em redes de r´adio cognitivo em [7] e [8], respectivamente. Um estudo da SOP e da SPSC foi realizado em [9], utilizando o canal de desvanecimento α-µ sob o modelo cl´assico de escuta de Wyner.

M´arcia Manuela Nunes e Ugo Silva Dias¸ Departamento de Engenharia El´etrica, Universidade de Bras´ılia - UnB, Bras´ılia-DF, Brasil, E-mails: mm [e-mail], [e-mail].

A distribuic¸ ˜ao κ-µ com sombreamento ´e bastante utilizada para cen´arios de propagac¸˜ao com linha de visada. Ela fornece um modelo geral de desvanecimento com bom ajuste a dados pr´aticos e com a vantagem da unificac¸ ˜ao de modelos de desvanecimento como a Gaussiana unilateral, a Rayleigh, a Nakagami-m e a Rice com sombreamento. Outro aspecto importante desta distribuic¸ ˜ao s˜ao suas propriedades anal´ıticas que permitem a obtenc¸ ˜ao da func¸ ˜ao densidade de probabi lidade e da func¸ ˜ao de distribuic¸ ˜ao acumulada em f ´ormulas fechadas. Em [10] e [11] s˜ao realizados estudos estat´ısiticos, de probabilidade de Outage e de capacidade do modelo de desvanecimento da κ-µ com sombreamento.

At´e ent˜ao, a maioria das referˆencias sobre seguranc¸a na camada f´ısica focam em canais de desvanecimento lento (como Rayleigh, Rice, Nakagami-m) ou em canais de desvanecimento r´apido (como log-Normal)[1]-[6], [12]. Todos estes trabalhos prop ˜oem modelos anal´ıticos para tipos espec´ıficos de canais de desvanecimento e n˜ao cobrem v´arios tipos de desvanecimento em cen´arios pr´aticos. Como j´a mencionado a distribuic¸ ˜ao κ µ com sobreamento ´e mais geral, flex´ıvel, inclui algumas distribuic¸ ˜oes importantes e se ajusta bem a dados pr´aticos. E n˜ao h´a, at´e ent˜ao, estudos espec´ıficos de SOP e SPSC para a seguranc¸a na camada f´ısica sob canais de desvanecimento κ-µ com sombreamento, especialmente no modelo cl´assico de escuta de Wyner.

Motivado pelas observac¸ ˜oes realizadas acima, neste trabalho s˜ao geradas e analisadas curvas de SOP e SPSC para o estudo da seguranc¸a na camada f´ısica sob canais de desvanecimento κ-µ com sombreamento variando as caracter´ısticas do canal intruso e principal no modelo cl´assico de escuta de Wyner.

O artigo ´e organizado da seguinte maneira: a Sec¸ ˜ao II apresenta uma revis˜ao te ´orica dos principais aspectos do modelo utilizado, especificando os canais presentes neste tipo de comunicac¸ ˜ao com a presenc¸a de um canal intruso, caracter izando o modelo de desvanecimento κ-µ com sombreamento e as considerac¸ ˜oes realizadas; a Sec¸ ˜ao III apresenta uma revis˜ao te ´orica acerca da Probabilidade de Outage de Sigilo; a Sec¸ ˜ao IV apresenta uma revis˜ao te ´orica acerca da Capacidade de Sigilo Estritamente Positiva; a Sec¸ ˜ao V apresenta os resultados obtidos ao alterarmos os parˆemetros de canal do modelo κ-µ com sombreamento para o canal principal e intruso. Por fim, breves considerac¸ ˜oes encerram este artigo na Sec¸ ˜ao VI.

II. MODELO DO SISTEMA

Conforme mencionado anteriormente, para o trabalho neste artigo ´e utilizado o modelo cl´assico de escuta de Wyner [13]. Nele, a fonte S envia mensagens confidenciais para um

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receptor D utilizando um canal principal enquanto o intruso E tenta decodificar essa mensagem a partir do sinal recebido atrav´es de um canal intruso.

Consideramos que o canal principal e intruso apresentam desvanecimentos κ-µ com sombreamento independentes, e tamb´em ru´ıdos Gaussianos complexos independentes com m´edia-zero e variac¸ ˜oes unit´arias. Ambos canais apresentam blocos de desvanecimento erg ´odicos em que os coeficientes dos canais se mantˆem constantes durante o per´ıodo do bloco, variando independentemente entre os blocos.