Sicherheit auf der physikalischen Schicht für die Terahertz-Kommunikation
Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) wächst beständig. Es umfasst ein breites Spektrum von Endgeräten − vom ressourcenarmen Sensor in der Fertigung bis zur verteilten Cloud-Infrastruktur. Alle Bestandteile des IoT müssen in Umgebungen wie Industrie-4.0-Fabrikhallen hochsicher und zuverlässig miteinander kommunizieren. Klassisch wird die Kommunikation über rechenintensive kryptografische Verschlüsselung abgesichert. Verfahren zur „Physical Layer Security“ (PLS) ermöglichen hingegen eine zusätzliche, ressourcenarme Komponente für die Abhörsicherheit, die im Wesentlichen auf technischen Auswirkungen der physikalischen Übertragungsschicht – beispielsweise Luft bei Funkverbindungen – beruht. Als drahtloser Kommunikationskanal dient im IoT derzeitig üblicherweise ein Funkkanal mit Trägerfrequenzen vergleichbar mit heutigen Mobilfunksystemen oder dem WLAN im Gigahertzbereich. Als künftiger Evolutionsschritt werden weit höhere Frequenzen (Terahertz-Frequenzband) eingesetzt, die entsprechend hohe Datenraten zulassen und erstmals sehr kompakte Mehrantennen-Anordnungen mit erweiterten Funktionen zur Verbesserung der Datenübertragung ermöglichen. Mit solchen Mehrantennen-Anordnungen können durch spezielle Signalkodierung neue PLS-Methoden entwickelt werden.
Der Fokus des Projektes CERTAIN liegt auf dem PLS-basierten Schutz gegenüber unerlaubtem Abhören von Terahertz-Verbindungen, die mehrere Sende- und Empfangsantennen nutzen. Ziel ist es, mit geringstmöglichem Ressourcenaufwand eine höchstmögliche Abhörsicherheit für IoT-Geräte zu erreichen. Hierzu setzen die Forschenden auf Verfahren zur speziellen Kodierung der zu übertragenden Daten ein. Durch das Weglassen von Symbolen an geeignet gewählten Codepositionen wird beispielsweise sichergestellt, dass für die legitimen Sender und Empfänger eine beinahe fehlerfreie Übertragung erfolgen kann, während potenzielle Lauscher prinzipiell nicht erfolgreich decodieren können. Zusätzlich werden spezifische Terahertz-Kanaleigenschaften gezielt ausgenutzt, um eine abhörsichere Vernetzung von räumlich verteilten IoT-Geräten, zum Beispiel innerhalb einer ausgedehnten Fabrikhalle, zu ermöglichen.
Die zentrale Innovation des Projektes CERTAIN besteht darin, durch einen „Dreiklang“ aus zukunftsweisenden Technologien – Sicherheit auf der physikalischen Schicht, Terahertz-Übertragungstechnik und Mehrantennenverfahren – ein zusätzliches Maß an Abhörsicherheit von drahtlosen Kommunikationsverbindungen im Internet der Dinge zu schaffen. Diese neue Technologie wird zunächst im Industrie-4.0-Umfeld (Industrial IoT) eingesetzt und kann den Standort Deutschland weiter stärken. Perspektivisch ist auch ein Einsatz im privaten Umfeld, zum Beispiel in der Heimautomatisierung, denkbar, sodass Bürgerinnen und Bürger auch direkt profitieren.