Autenticazione Challenge-Response allo strato fisico per comunicazioni Downlink con IRS

This thesis explores the use of Intelligent Reflecting Surfaces (IRS) for physical-layer authentication (PLA), with a particular focus on challenge-response (CR) mechanisms in the downlink context. In this scenario, the transmitter (Alice) generates a challenge by randomly configuring the IRS, while the receiver (Bob) estimates the resulting channel and, based on prior knowledge, verifies Alice’s legitimacy. IRS enables dynamic reconfiguration of the wireless channel, providing a new degree of freedom for designing secure and efficient authentication protocols. The objective is to analyze the performance of the authentication system, focusing on the probabilities of false alarm (FA) and missed detection (MD), in order to ensure high reliability in verifying the transmitter’s identity. In particular, the design of the probability distribution of the IRS configurations is studied, under the constraint of keeping the average authentication error probabilities below a given threshold. The validity of the proposed model is finally assessed through numerical simulations.

Questa tesi esplora l’utilizzo delle Superfici Riflettenti Intelligenti (IRS) per l’autenticazione a livello fisico (PLA), con particolare attenzione ai meccanismi challenge-response (CR) nel contesto downlink. In questo scenario, è il trasmettitore (Alice) a generare una sfida mediante la configurazione casuale della IRS, mentre il ricevitore (Bob) stima il canale risultante e, sulla base di conoscenze prestabilite, verifica la legittimità di Alice. Le IRS permettono di riconfigurare dinamicamente il canale radio, offrendo un nuovo grado di libertà per la progettazione di protocolli di autenticazione sicuri ed efficienti. L’obiettivo è analizzare le prestazioni del sistema di autenticazione, le probabilità di falso allarme (FA) e di mancata rilevazione (MD), al fine di garantire un’elevata affidabilità nella verifica dell’identità del trasmettitore. In particolare, viene studiata la progettazione della distribuzione delle configurazioni IRS, mantenendo entro una soglia prefissata le probabilità medie di errore di autenticazione. La validità del modello proposto viene infine verificata attraverso simulazioni numeriche.