Kriptolu optik haberleşme

Abstract

Bu tez çalışması, Serbest Uzay Optik (FSO) haberleşme yapılarında atmosferik türbülansın neden olduğu log-normal zayıflama etkisinin, sayısal veri iletimindeki güvenilirlik, bütünlük ve güvenlik parametreleri üzerinde oluşturduğu sonuçları çok yönlü bir biçimde araştırmaktadır. FSO bağlantıları yüksek bant genişliği sağlama, lisans gerektirmeden çalışma ve elektromanyetik girişimlere karşı dayanıklılık gibi önemli özelliklere sahip olsa da atmosferik koşullardaki değişimler nedeniyle işaret şiddetinde rastlantısal dalgalanmalar oluşmakta ve bu durum sistem performansını olumsuz etkilemektedir. Atmosferik türbülans kaynaklı bu genlik dalgalanmaları, çalışmada log-normal dağılım yaklaşımı ile modellenmiş olup, söz konusu bozulmaların Bit Hata Oranı (BER) ve Paket Hata Oranı (PER) üzerinde belirgin bir artışa neden olduğu gözlemlenmiştir. Çalışma, iki aşamalı bir deneysel çerçeve üzerine inşa edilmiştir. İlk aşamada, şifrelenmemiş veriler, açık hava, sis, toz ve yağmur gibi farklı atmosfer koşullarını temsil eden FSO kanal modelleri aracılığıyla iletilir ve her senaryo, farklı log-normal sönümlenme parametreleri kullanılarak oluşturulmuştur. Alıcı tarafta uygulanan eşikleme yöntemiyle sinyal yeniden elde edilmiş ve BER–PER performansı değerlendirilmiştir. Böylece fiziksel katmandaki bozulmaların iletim kalitesine etkisi ayrıntılı şekilde ortaya konmuştur. İkinci aşamada aynı iletim süreci, bu kez veri ASCON AEAD algoritması ile şifrelenerek tekrar uygulanmıştır. NIST tarafından hafif kriptografi standardı olarak kabul edilen ASCON hem gizlilik hem de doğrulama etiketi üzerinden bütünlük kontrolü sağlayan bir yapıya sahiptir. Bu aşamada kriptolu verinin türbülansa karşı davranışı incelenmiş; farklı şiddetteki türbülans koşullarında şifrelenmiş ve şifrelenmemiş iletimler karşılaştırılarak ASCON'un yüksek entropili çıktısının BER üzerindeki etkisi ve doğrulama etiketinin hatalı paketleri engelleme performansı detaylandırılmıştır. Elde edilen bulgular, log-normal fading'in FSO sistemlerinde ciddi hata artışına yol açtığını, ancak ASCON'un doğrulama mekanizması sayesinde bozulmuş paketlerin sistem tarafından kabul edilmesinin önüne geçildiğini göstermektedir. Şifreleme işlemi BER değerlerini yükseltse bile, doğrulama adımı yanlış verinin işlenmesini engelleyerek güvenli iletişimi sürdürmektedir. ASCON'un düzeltme değil, yalnızca bozulmayı tespit edip hatalı paketi dışlama odaklı çalıştığı da özellikle vurgulanmıştır. Genel olarak çalışma, log-normal zayıflama altında çalışan FSO bağlantılarına ASCON tabanlı kimlik doğrulamalı şifrelemenin entegre edilmesiyle, daha güvenli, daha kararlı ve bütünlüğü korunan bir optik haberleşme yapısı elde edilebileceğini göstermektedir. Bu hibrit yaklaşımın, düşük güç tüketimi ve yüksek güvenilirlik gerektiren yeni nesil ve 6G uyumlu optik iletişim sistemleri için güçlü bir aday olduğu sonucuna varılmıştır.This thesis deeply tries to analyze log-normal fading effects, which happen because of atmospheric turbulence and damages reliability, integrity, and security of data transmission in FSO systems in many ways. FSO is known to be very advantageous because of high data bit rate. Atmosphere causes signal distortions at the receiver side, performance getting worse strongly and bit error rate (BER) with packet error rate (PER) values increasing noticeably. This situation is modeled with log-normal distribution mostly. To understand these impacts, experiments divided into two stages inside this study for making more organized structure. First stage investigates unencrypted data transmission. Clear weather, fog, dust, rain environments simulated inside channel and different sigma parameters applied for every condition especially. At the receiver side threshold decision method used to recover signals later. BER and PER are calculated. This part mainly focuses on the physical layer degradation effects, turbulence how damaging signal tried to be demonstrated carefully. In second stage same system was used but data transmitted with ASCON algorithm protection applied. It is the algorithm selected by NIST standards. It provides confidentiality and performs authentication process simultaneously. Encrypted data behavior tested under different turbulence intensities additionally, weak moderate and strong fading scenarios compared step by step. Encrypted and unencrypted transmissions are evaluated carefully. ASCON high entropy ciphertext structure impact over BE performance analyzed and corrupted packet rejection ability examined strongly with many comparisons. Some differences observed after these investigations. Results clearly showing log-normal fading significantly increase error rates, FSO links becoming vulnerable under these conditions strongly. ASCON authentication mechanism continuously blocks corrupted packets acceptance. Encrypted transmissions show slightly higher BER naturally. But communication integrity preserved end-to-end. ASCON does not perform error correction actually, it only detects errors and discards invalid packets without trying to repair them. Overall, this thesis demonstrates that integrating ASCON into FSO systems improves security performance strongly. Proposed hybrid optical cryptographic structure seems promising for future communication architectures. Especially important expected for 6G based next generation networks.