Physical Layer Security Techniques for Beyond 5G Networks

Resumen

El aumento en el número de conexiones inalámbricas debido al Internet de las cosas (IoT) y la llegada de la quinta generación de redes móviles (5G) ha propiciado un aumento en las preocupaciones sobre el rendimiento de las transmisiones y su seguridad. En esta te­sis se pretende analizar la aportación que tiene la seguridad en capa física (PLS) en este tipo de entornos donde elevar el número de antenas viene siendo habitual. En primer lugar, se propone un nuevo esquema de selección de antena transmisora (TAS) centrado en impedir la posible fuga de información: ETAS. Se obtienen las métricas para poder evaluar su rendimiento en términos de máxima tasa de transmisión segura y se compa­ra con otros esquemas habituales como el óptimo (OTAS) y el sub-óptimo basado en el usuario legítimo (BTAS). Los resultados muestran como el esquema sub-óptimo ETAS permite una mayor tasa de transmisión que el BTAS en escenarios donde los fisgones son dominantes. Por otro lado, se ha propuesto un ataque sobre sistemas basados en PLS, de­nominado ataque de canal producto con desvanecimientos sintéticos. Se fundamenta en la necesidad que estos sistemas tienen de obtener correctamente la información del canal (CSI) de los distintos usuarios. De esta forma, se propone un ataque que pretende hacer que la estación base (BS) transmita al usuario legítimo información segura a una tasa su­perior a la que su canal le permitiría y conseguir así interceptarla. Asi mismo, se presenta una propuesta para poder combatir este tipo de ataques: utilizando zonas de guarda o de seguridad. Finalmente, se ha analizado cómo afecta a PLS la tendencia de aumentar el número de antenas y reducir el tamaño de las celdas en busca de mayor capacidad en las comunicaciones. En concreto, se ha analizado el impacto de incorporar modelos de propagación más realistas para estos casos, como es la propagación esférica (SW), en lu­gar del clásico modelo de onda plana (PW), que deja de ser válido en estas condiciones. El resultado se refleja en una propuesta de modelo para PLS con propagación esférica y una estrategia de precodificación y selección de usuario conjunta, el Leakage Subspa­ce Precoding (LSP), que incluye las particularidades de PLS y SW en su diseño. De esta forma, consigue aprovechar mejor las particularidades físicas del medio para mejorar el rendimiento entre un 20-40 % con respecto a esquemas tradicionales como el zero forcing (ZF).