Signalverarbeitung am Kanaleingang für sichere Übertragungen über Fast-Fading-Kanäle mit statistischer Kanalkenntnis am Sender

• Antragsteller: Dr.-Ing. Pin-Hsun Lin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329361154

In diesem Projekt sollen fundamentale Problemstellungen bei dem holistischen Systemdesign sicherer Kommunikationssysteme unter Benutzung von Fast Fading Kanälen mit statistischer Kanalkenntnis am Sender untersucht werden. Dabei wird besonderer Fokus auf den Kanaleingang gelegt. Hierbei sollen 1. neue Kriterien zur Identifizierung und Charakterisierung der Degradiertheit des Wiretap Kanals entwickelt werden, um kompliziertes Prefixing zu vermeiden. Weiterhin soll 2. im Falle des nicht degradierten Wiretap Kanals optimierte Signalverarbeitung am Kanaleingang entwickelt werden, um höhere Sicherheitsraten zu erreichen. In diesem Projekt wird die weit verbreitete, jedoch in vielen Fällen unrealistische Annahme perfekter Kanalkenntnis fallengelassen. Anstelle dieser kann statistische Kanalkenntnis a priori erlangt werden. Sendet Alice Nachrichten zu ihrem legitimierten Kommunikationspartner, benutzt sie als Worst Case Annahme die statistische Kanalkenntnis des zu ihr am nächst gelegenen Benutzers, den sie als Abhörer identifiziert, um ihr Wiretap Codebuch zu generieren. Abgesehen von einigen Spezialfällen, ist im Allgemeinen die Kanaleinangsdichtefunktion bei nicht perfekter Kanalkenntnis unbekannt. Diese soll im Verlaufe des Projekts untersucht werden. Im Falle keiner perfekter Kanalkenntnis des Abhörkanals wird häufig künstliches Rauschen dem Nutzsignal hinzugefügt, um das Signal zu Rausch Verhältnis bei dem Abhörer zu verringern. Allerdings existieren mehrere Mythen bezüglich des künstlichen Rauschens. Unter Anderem bestehen die Irrglauben, dass falls dem Sender keine perfekte Kanalkenntnis zum Abhörer vorliegt, im Falle von Fast Fading Kanälen künstliches Rauschen eingesetzt werden muss, und dass das Nutzsignal und das künstliche Rauschen Gaußverteilt sein müssen. Für diese Aussagen gibt es keine analytischen Beweise. Ganz im Gegenteil, sie können unter bestimmten Voraussetzungen falsch sein. Wir untersuchen diese Mythen und werden notwendige und hinreichende Bedingungen für die Benutzung künstlichen Rauschens herleiten, die die Degradiertheit des Kanals erfüllen muss. Solange der Wiretap Kanal degradiert ist, ist eine Signalverarbeitung in Form von künstlichen Rauschens nicht notwendig; Daher kann das Systemdesign erheblich vereinfacht werden. Im Falle des nicht degradierten Wiretap Kanals sollen andere Signalverarbeitungsmöglichkeiten anstelle der gaußverteilten Nutz- und Rauschsignale untersucht werden. Hierbei werden sowohl die Eingangsverteilung, als auch das Prefixing berücksichtigt. Das Projekt wird dadurch eine theoretisch fundierte, systematische Signalverarbeitung für allgemeine Wiretap Kanäle mit statistischer Kanalkenntnis am Sender entwickeln, die ein effizientes Systemdesign und eine effiziente Ressourcen Allokation unter Benutzung Physical Layer Security spezifischer Algorithmen ermöglichen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen