Gemeinsam gegen Störsender: Forscher entwickeln sicherere Methoden für die Datenübertragung

Das Motto "Gemeinsam stehen wir, geteilt fallen wir" hat in einer unwahrscheinlichen Disziplin - der Cybersicherheit - neue Anwendung gefunden.

Maschinen - von einfachen wie einem Personal Computer bis zu einem komplexen wie einem selbstfahrenden Auto - müssen Informationen übertragen, um sie verarbeiten zu können. Ein selbstfahrendes Auto zum Beispiel soll die gleichen Informationen sammeln, die ein menschlicher Fahrer möglicherweise hat, und in Form von Sachleistungen reagieren. Von der Ampel bis zum Verhalten anderer Autos muss das selbstfahrende Auto Informationen schnell und sicher erfassen und verarbeiten, um über eine Vorgehensweise zu entscheiden: Bremsen, Wenden und möglicherweise Leben retten.

Aber was ist, wenn die Mischung ein anderes, kontroverses Signal enthält, das die Kommunikation gefährdet? Ein Forschungsteam an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign hat eine Methode entwickelt, um potenziell die durch diese Signale verursachten Unterbrechungen, sogenannte Störsender, zu vermeiden.

Die Studie wurde in der Januar-Ausgabe des IEEE / CAA Journal of Automatica Sinica (JAS) veröffentlicht, einer gemeinsamen Veröffentlichung des IEEE und der Chinese Association of Automation.

"Die Fähigkeit, Daten von einer Quelle zu einem Ziel zuverlässig zu übertragen, wenn gegnerische Eingriffe wie Störsignale auftreten, ist von größter Bedeutung und von größter Bedeutung", sagte der Hauptautor Tamer Basar.

Basar ist Swanlund-Stiftungslehrstuhl der Abteilung für Elektro- und Computertechnik und Direktor des Center for Advanced Study an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign.

"Der in diesem Artikel vorgestellte Prototyp erfasst Szenarien, die in vielen Anwendungsbereichen auftreten, z. B. in Fernerkundungssystemen, vernetzten Steuerungssystemen und cyber-physischen Systemen", sagte Basar.

Beispielsweise sammelt ein Sensor über einen bestimmten Zeitraum Informationen und überträgt die Daten an ein Entscheidungszentrum, das arbeiten muss, um die Originaldaten genau zu verarbeiten. Die Daten können beschädigt werden, da sie vor dem Entscheidungszentrum codiert und anschließend decodiert werden müssen. Zeitliche Einschränkungen und begrenzte Energieressourcen erschweren die Sache zusätzlich. Um die Probleme weiter zu verkomplizieren, kann ein Störsender alles stoppen, indem er das System buchstäblich mit einer Fülle von Geräuschen blockiert.

"Der Sensor, der Encoder und der Decoder arbeiten gemeinsam auf ein gemeinsames Ziel hin, während ein Störsender so arbeitet, dass er den Aktionen der ersten drei entgegenwirkt", sagte Basar.

Die Forscher gruppierten die drei Teile, die einen Akteur im System umfassten, um den Aktionen des Störsenders entgegenzuwirken. Indem alle drei Teile als ein Teil arbeiten, geben sie gleichzeitig ihre Informationsrichtlinien bekannt.

Es ist der Unterschied zwischen der Kommunikation über eine Brieftaube oder ein Telefon. Eine Person muss eine Nachricht an das Bein der Taube binden, die Taube muss reisen und der Empfänger muss die Nachricht von der Taube abrufen. Dann muss der Empfänger antworten und den Vorgang in umgekehrter Reihenfolge wiederholen. Die Nachricht kann an mehreren Stellen verloren gehen oder beschädigt werden. Wenn dieselben Leute den Hörer abheben, ist es weitaus wahrscheinlicher, dass sie sich zusammen mit minimalen Störungen für eine Vorgehensweise entscheiden.

Wenn Sensor, Codierer und Decodierer zusammenarbeiten, verpflichten sie sich zu ihren nächsten gemeinsamen Aktionen. Sie blockieren den Störsender nicht vollständig, aber der Störsender hat nicht die Möglichkeit, die Arbeit zu unterbrechen und einen erheblichen Fehler zu verursachen, wenn die Schauspieler hin und her kommunizieren.

Dieses hierarchische Manöver wird als Stackelberg-Feedback-Lösung bezeichnet und ermöglicht es dem System, Informationen basierend auf einer Reihe vorberechnbarer Schwellenwerte zu verarbeiten, die von der Zeit und der Anzahl der verbleibenden Übertragungsmöglichkeiten abhängen. Der Störsender wird nicht berücksichtigt, da Sensor, Encoder und Decoder gemeinsam entscheiden, was, wie und wann verarbeitet werden soll.

Die Lösung ist zwar effektiv, aber derzeit auf einen Kanal beschränkt. Die Forscher hoffen, das zu ändern.

"Unser Ziel ist es, das in diesem Artikel vorgestellte Modell auf komplexere Systeme auszudehnen und allgemeinere Quellprozesse, mehrere Sensoren, mehrere Kanäle und Sensoren zu ermöglichen, die mit einem Energy Harvester ausgestattet sind, der das Potenzial hat, die verbrauchte Energie des Sensors wieder aufzufüllen über die zufällige Verfügbarkeit solcher Ressourcen - wie Solar- oder Windkraft ", sagte Basar.