OFDM in emerging wireless networks: synchronization algorithms and physical layer security

Nell'ultimo decennio, la tecnica nota come orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) è stata scelta come soluzione di strato fisico per diversi sistemi di trasmissione wireless ad alto bit rate. Le ragioni di tale successo sono riscontrabili nella capacità di sfruttare canali selettivi in frequenza con dispositivi di semplice ed efficiente implementazione, nonché nella possibilità di ottenere un'elevata efficienza spettrale. Allo scopo di ottimizzare le prestazioni di questi sistemi, le reti wireless di nuova generazione necessitano di metodi efficaci per la sincronizzazione di tempo e di frequenza, dato che un'errata scelta del sincronismo di simbolo ed offset di frequenza residui di portante e campionamento possono disturbare fortemente le trasmissioni a causa dell'introduzione di interferenza di intersimbolo (ISI) ed interferenza di intercanale (ICI). Nella prima parte della tesi il lavoro si è concentrato sulla formulazione e l'analisi di algoritmi di sincronizzazione di tempo e frequenza per sistemi ultrawide band (UWB) multiband (MB) OFDM. Per prima cosa è stato considerato il problema della sincronizzazione di simbolo ed è stato analizzato il caso in cui la lunghezza del canale dispersivo è maggiore di quella del prefisso ciclico previsto dallo standard, ovvero quando sia ISI che ICI non possono essere completamente annullate scegliendo in maniera opportuna l'epoca di campionamento. In questo caso, un opportuno obiettivo per la sincronizzazione di simbolo è stato identificato nella massimizzazione del rapporto fra la potenza utile totale su tutte le sottoportanti e la potenza totale di ISI ed ICI, per una data realizzazione di canale. E' stato anche derivato uno schema di sincronizzazione pratico a bassa complessità computazionale, che offre prestazioni migliori di quelle fornite dagli stimatori a correlazione esistenti in letteratura. Inoltre, l'alto rate di trasmissione dei sistemi MB-OFDM richiede che la stima degli offset di campionamento e di portante venga effettuata con metodi a complessità moderata e con tempi di acquisizione ridotti. Pertanto, sono stati formulati algoritmi che operano sui simboli ricevuti nel dominio della frequenza, dai quali è possibile rilevare gli effetti di entrambi gli offset, che vengono così stimati congiuntamente mediante approcci ai minimi quadrati o a massima verosimiglianza. Le prestazioni di questi algoritmi sono state valutate mediante simulazioni in uno scenario UWB realistico e sono state confrontate con i risultati ottenuti dagli stimatori presentati precedentemente in letteratura. In parallelo con la richiesta di elevati rate di trasmissione, l'imponente traffico di dati sensibili attraverso comunicazioni wireless ha generato un bisogno crescente di segretezza (e sicurezza in generale) per l'informazione trasmessa su tali canali. La sicurezza a livello di strato fisico si sta rivelando un utile strumento per proteggere l'informazione trasmessa su reti wireless di nuova generazione, e sfrutta la diversità esistente fra le realizzazioni di canale dei terminali legittimi rispetto a quelle dell'attaccante. Quindi, nella seconda parte della tesi, si è valutato come i risultati ottenuti nell'ambito dell'information-theoretic security possano essere adattati ad un sistema che adotta OFDM come tipo di modulazione. L'architettura multiportante è stata quindi rappresentata come un caso particolare di un canale multiple-input multiple-output (MMO). In questo modo è stato possibile valutare le potenzialità del sistema OFDM nel trasmettere messaggi riservati applicando ed adattando a questo caso i risultati presentati in letteratura riguardo canali wiretap MIMO gaussiani. Si sono così caratterizzati i rate di segretezza raggiungibili da una coppia trasmettitore/ricevitore OFDM in presenza di un ascoltatore indesiderato, sia nel caso in cui esso adotti un ricevitore di tipo OFDM, sia nel caso in cui esso possa implementare architetture di ricezione più complesse e sofisticate. Le caratteristiche fisiche del canale di trsmissione possono essere sfruttate non solo per trasmettere messaggi in maniera che il loro contenuto sia segreto per eventuali attaccanti, ma anche per condividere in maniera sicura chiavi segrete, da utilizzare in sistemi di crittografia classica. In particolare, si è studiato il caso generale di condivisione di chiavi segrete mediante trasmissioni su canali MIMO (di cui OFDM può essere pensato come istanza particolare) e si sono ricavate in forma chiusa le espressioni per la capacità di chiavi segreta (ovvero il massimo rate con cui può essere scambiata una chiave segreta in presenza di un attaccante) nei regimi asintotici di basso ed alto SNR. Per bassi SNR, è stato dimostrato come la strategia ottima di trasmissione sia indipendente dalla realizzazione di canale dell'attaccante. Pertanto, combinando questa strategia di trasmissione con le fasi di information reconciliation e privacy amplification, è possibile ottenere uno schema di condivisione di chiavi di tipo semi-blind, per il quale la conoscenza del canale dell'attaccante è rischiesta solo nella fase finale di privacy amplification. Un approccio simile a quelli descritti finora è stato applicato per studiare il problema della robustezza dei sistemi OFDM ad attacchi di jamming. In questo scenario l'attaccante è attivo, ed il suo scopo è quello di disturbare la comunicazione fra i terminali legittimi mediante la trasmissione di un segnale di jamming, appunto. Tale setup è stato modellato mediante strumenti ricavati dalla Teoria dei Giochi, in particolare come gioco a somma zero in cui la funzione di payoff è rappresentata dall'informazione mutua scambiata fra trasmettitore e ricevitore. In quseto modo sono state determinate le strategie di trasmissione ottime sia per il trasmettitore legittimo che per l'attaccante, ed è stato trovato il punto di equilibrio di Nash del gioco sia per sistemi OFDM di tipo discrete multitone (DMT) che filtered multitone (FMT).