Drahtlos aber sicher durch Vollduplextechnik

23.09.2018 - Lara Kristin Zeitel

DrahtloserKanal Drahtlose Kommunikation ist grundsätzlich anfällig gegenüber Angreifern, welche den Funkverkehr mithören können ohne entdeckt zu werden. Traditionell werden solche Angriffe verhindert, indem die Nutzdaten vorher mit einem kryptografischen Schlüssel verschlüsselt werden. Dabei werden diese Schlüssel mithilfe von mathematischen Problemstellungen erzeugt, die für die legitimierten Nutzer recht einfach, für den Abhörer aber schwer zu lösen sind. Solche Ansätze erfordern jedoch meistens eine komplexe Infrastruktur für die Schlüsselverwaltung. Ein alternativer Ansatz zur Erzeugung kryptografischen Schlüssel beruht auf der Idee, die Eigenschaften der physikalischen Umgebung, in der sich die Funkteilnehmer befinden (drahtloser Kanal), als Geheimnis zu vereinbaren. Funkwellen verhalten sich grundsätzlich reziprok, d.h. bei der Ausbreitung von Sender zu Empfänger erfahren die Funkwellen die gleichen Veränderungen wie in umgekehrter Richtung. Die Ausbreitung der Funkwellen zum Angreifer hin verläuft jedoch anders und somit kann das Geheimnis bewahrt bleiben.

Forscher am Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme (DKS) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Aydin Sezgin beschäftigen sich mit der Frage, wie eine solche Schlüsselerzeugung robuster gegen Abhörer gestaltet werden kann, die sich in der Nähe der legitimierten Funkteilnehmer befinden. Dazu verwenden sie eine zentrale Technologie zukünftiger Funkstandards: die Vollduplextechnik. Dabei handelt es sich um die Idee, zur gleichen Zeit auf dem gleichen Frequenzband zu senden und zu empfangen. Die Forscher konnten zeigen, dass es unter der Verwendung der Vollduplextechnik für einen Abhörer erheblich schwieriger wird, die Eigenschaften des drahtlosen Kanals zu ermitteln. Diese Erkenntnis wurde zunächst theoretisch am Systemmodell gezeigt.

Um dieses Ergebnis auch experimentell belegen zu können, wurde ein Aufbau mit vollduplexfähigen Prototypen erstellt. Eine wesentliche Herausforderung für den Vollduplexbetrieb besteht darin, dass der Sender den eigenen Empfänger durch den gleichzeitigen Betrieb stört (Selbstinterferenz). Gemeinsam mit Herrn Priv.-Doz. Dr.-Ing. Gerald Enzner vom Lehrstuhl Allgemeine Informationstechnik und Kommunikationsakustik (AIKA) wurde ein adaptiver Algorithmus entwickelt, welcher die Selbstinterferenz erfolgreich entfernt. Die Erkenntnisse zur robusteren Erzeugung der kryptografischen Schlüssel aus Kanaleigenschaften konnten anschließend experimentell verifiziert werden.