Informationssicherheit auf der Übertragungsschicht in Multimode-Faser-Kommunikationssystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Professor Dr.-Ing. Eduard Axel Jorswieck
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410148962

Optische Singlemode-Glasfasernetze haben das moderne Internet ermöglicht. Ausgefeilte Multiplextechniken, die in verschiedenen Domänen (Zeit, Polarisation, Wellenlänge) angewendet werden, erlauben sehr hohe Datenraten. In der Zeit von Rechenzentren, die einen kontinuierliche Erhöhung von Netzwerkkapazitäten erfordern, bieten Multimode-Fasern (MMF) das Potenzial der zusätzliche Ausnutzung der räumlichen Domäne. Zusätzlich ist es möglich die komplexe Lichtpropagation innerhalb der MMF durch geeignete sendeseitige Wellenfrontformung zur Erhöhung der Informationssicherheit nutzbar zu machen. Dieser Ansatz wird Physical Layer Security (PLS) genannt und wurde erstmalig von uns experimentell an MMFs untersucht. Im Gegensatz zu klassischen Kryptographietechniken auf höheren Schichten werden bei PLS Kodierungen basierend auf physikalischen Kanaleigenschaften erzeugt. Zudem ist PLS mit klassischen Komponenten der optischen Datenübertragung (Verstärker, Repeater) vereinbar.Ist der Kommunikationskanal zwischen zwei Knoten (Alice und Bob) bspw. durch die Messung des Übertragungsverhaltens (Transmissionsmatrix, TM) bekannt, kann durch anschließende inverse Vorkodierung ein SNR-Vorteil gegenüber einem potentiellen Abhörer (Eve) erzielt werden. Während der Kanal zu Bob kalibriert wird, treten bei Eve’s Angriff modenabhängige Verluste auf, die es Alice per geeigneter Kodierungsalgorithmen (künstliches Rauschen, „wiretap coding“) ermöglichen Eve‘s Kanalqualität gezielt zu verschlechtern, um einen Vorteil für Bob zu erzielen. Die ersten grundlegenden Untersuchungen zu PLS konnten das Potenzial des Ansatzes an 10 m Stufenindexfasern demonstrieren. Jedoch werden in herkömmlichen MMF-Kommunikationsnetzen Gradientenindex (GRIN) MMFs mit vergleichsweise geringerer Mischung über weitaus höhere Distanzen eingesetzt. Bei großen Distanzen tritt eine Zeitvarianz auf, weswegen die Kalibrierung und Kommunikation innerhalb der endlichen Kohärenzzeit des Kanals erfolgen müssen. Daher streben wir eine Echtzeitkalibrierung auf Basis eines neuronalen Netzes an, um PLS in MMF bei üblichen Übertragungsdistanzen untersuchen zu können. Außerdem wird untersucht, welchen Einfluss die Polarisation auf die PLS-Implementierung besitzt und ob die gezielte Manipulation des Polarisationsübersprechens zur Erhöhung der Informationssicherheit führen kann. Durch einen zweiten Lichtpfad und der Copula-Theorie sollen statistische Modelle zur Untersuchung stochastischer Abhängigkeiten zwischen orthogonalen Polarisationsrichtungen erstellt werden. Hiermit kann die Erhöhung der Sicherheit, bspw. durch „Secret-Key-Generation“, bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Nektarios Koukourakis