Harnessing Spatial Diversity for Physical Layer Security without Adversary Channel Knowledge
Neue IEEE TWC Publikation stellt BeamSec vor – ein Beam Hopping Verfahren, das Sicherheit in mmWave Kommunikationssystemen verbessert, ohne den Kanal von Angreifern zu kennen.
29.07.2025
BeamSec kombiniert Beam Hopping mit adaptiver Zeitverteilung, um die Vertraulichkeit in mmWave Systemen zu maximieren, selbst wenn keine Informationen über Standort oder Kanal der Angreifer vorliegen. Experimente mit einem 60 GHz Testbed zeigen, dass BeamSec eine nicht‑null Secrecy Rate erreicht und die Sicherheit deutlich verbessert – ohne zusätzliche Hardware.
Millimeter-wave (mmWave) Kommunikationssysteme nutzen Phased-Array Antennen, um hochgradig gerichtete Beams zu erzeugen und so die Ausbreitung des Signals zu reduzieren. Dennoch bleibt Abhören, insbesondere innerhalb des Main-Lobe, ein großes Problem.
In dieser Arbeit wird BeamSec vorgestellt, ein neuartiger Beam Hopping Ansatz, um absolute Secrecy Rates zu maximieren, ohne dass Informationen über die Channel State Information (CSI) oder die Position von Angreifern bekannt sind. Methodisch identifiziert BeamSec verschiedene Beam-Paare zwischen Transceivern, indem Signalcharakteristika wie Angle of Departure (AoD) und Angle of Arrival (AoA) analysiert werden. Um ein Abhören der sicheren Nachricht zu verhindern, teilt BeamSec die Daten auf ausgewählte Beams auf und codiert sie gemeinsam.
Darüber hinaus optimiert BeamSec die Sicherheit, indem die Zeitverteilung über die ausgewählten Beams an unterschiedliche Grade des Kanalwissens angepasst wird: (i) vollständige/partielle Radio Frequency (RF) Maps basierend auf empirischen Daten legitimer Nutzer, (ii) Kenntnis der Raumgeometrie und (iii) nur die momentane Kenntnis des legitimen TX-RX Kanals.
Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Verfahren wird experimentell mit einem 802.11ad-kompatiblen 60 GHz Phased-Array Testbed validiert. BeamSec erreicht selbst mit einfacher gleichmäßiger Zeitverteilung eine nicht‑null Secrecy Rate. Radio Map (partielles Kanalwissen) und bekannte Raumgeometrie (momentanes TX/RX Wissen) führen zu weiteren Verbesserungen um 124,8 % bzw. 58,13 % im Vergleich zur gleichmäßigen Zeitverteilung.
Autoren: Afifa Ishtiaq, Ladan Khaloopour, Vahid Jamali, Matthias Hollick, Arash Asadi
Veröffentlicht in: IEEE Transactions on Wireless Communications, 26. Juli 2025
