ETD

• cybersicurezza
• ids
• metasuperfici
• smart intrusion detection system

The objective of the thesis is the design and realisation of a metasurface with a dual operating frequency band, 2.4 and 5 GHz, in order to improve the detection performance of an intelligent intrusion detection system within an indoor environment.
To detect an intruder inside a room attempting to transmit information outside by hiding beneath the Wi-Fi signal. The software tool is an algorithm that monitors the levels of the electric field and triggers an alarm when it detects an intruder. The algorithm used is based on Machine Learning, employing a supervised technique which, thanks to labelled data, is capable of analysing the data and training itself accordingly. Specifically, the algorithm used was “Random Forest”, which on average, when compared with other algorithms and also in our case, provides the best possible performance.
The intelligence of the application in managing the scenario lies in the use of metamaterials, which are capable of enhancing the intruder’s signal and directing it toward the controller.Metasurfaces are artificial surfaces designed to exhibit peculiar electromagnetic properties not found in natural materials. In this specific case, such properties are achieved through the periodic repetition of a unit cell with appropriately defined dimensions and spacing, whose geometrical configuration determines the desired electromagnetic performance.
Initially, a literature review was conducted in order to identify the type of unit cell suitable for our application, and two types of cell geometry were selected: the square cell and the circular cell.
The design of two panels was carried out to achieve anomalous reflection at 15° and 45° at frequencies of 2.4 and 5 GHz, to be mounted on the walls of a square room with sides of 3 m, in order to improve the signal level received by a receiver located at a fixed position in one corner of the room. We therefore have a total of four surfaces for the implementation of the configurations.
The metasurface design methodologyinvolves the analytical formulation of metasurface, supported by ad hoc MATLAB scripts for the structural dimensioning, along with the use of electromagnetic CAD tools such as Feko to simulate and verify the desired response.
The panels realised with the square cell showed the best performance in terms of the magnitude of the reflection coefficient for the desired angles, using as a baseline the performance of a PEC panel. Once designed, the surfaces were fabricated using PCB technology, and a measurement campaign was carried out to verify their performance. The measurements yielded positive results consistent with those estimated through full-wave simulations.
Once the physical layer of the system had been completed, attention shifted to the IDS (Intrusion Detection System), which was developed in a simulated manner by collecting the necessary data through electromagnetic simulation software for EMPACT scenarios, based on high-frequency techniques and ray tracing. Within the scene, a closed room, there are two known transmitters, a receiver acting as the detector (input to the IDS), and a third transmitter representing the adversary to be detected. For data collection and performance evaluation, three different scenarios were simulated:
• Base scenario: empty room without reflective panels
• Scenario 1: empty room with reflectors on the walls
• Scenario 2: furnished room with a desk and reflectors on the walls
The analysis of the three scenarios shows that the IDS trained with data from scenarios 1 and 2 clearly outperforms the model based solely on the base scenario. When tested on a third scenario (scenario 2 with the desk moved), the system shows an improvement of approximately 10% in intruder detection, confirming the effectiveness of the reflectors in enhancing the accuracy of the IDS.

L’obbiettivo della tesi è la progettazione e realizzazione di una metasuperfice con doppia banda di frequenza di funzionamento, 2.4 e 5 GHz, al fine di migliorare le prestazioni di detenzione di un sistema di rilevamento di intrusi intelligente all’interno di un ambiente indoor.
Rilevare un intruso all’interno di una stanza che cerca di mandare all’esterno informazioni nascondendosi sotto il segnale wifi a 2.4 e 5 GHz. Lo strumento software è un algoritmo che monitora i livelli di campo elettrico ed emette un allarme quando rivela un intruso. L’algoritmo utilizzato è basato sul Machine Learning, utilizzando una tecnica supervisionata che grazie ad un’etichetta è in grado di analizzare i dati ed allenarsi sulla base di essi. Nello specifico l’algoritmo utilizzato è stato il “Random forest” che offre mediamente, messo a confronto con altri algoritmi ed anche nel nostro caso, le migliori prestazioni possibili.
Le metasuperfici sono superfici artificiali progettate per esibire proprietà elettromagnetiche peculiari, non riscontrabili nei materiali naturali. Nel caso specifico, tali proprietà vengono ottenute mediante la ripetizione periodica di una cella unitaria con dimensioni e passo opportunamente fissati, la cui configurazione geometrica determina le prestazioni elettromagnetiche desiderate.
In prima istanza, è stata condotta una ricerca bibliografica in letteratura in modo da individuare il tipo di cella unitaria utile per la nostra applicazione e sono state scelte due tipologie di geometria per la cella: la cella quadrata e la cella circolare.
È stata condotta la progettazione di due pannelli che realizzano una riflessione anomala a 15° e 45° alle frequenze di 2.4 e 5 GHz da affiggere alle pareti di una stanza quadrata di 3 m di lato in modo tale da migliorare il livello di segnale ricevuto da un ricevitore in posizione fissa in un angolo della stanza stessa. Abbiamo quindi un totale di quattro superfici, per la realizzazione delle configurazioni.
Metodologia di progettazione delle metasuperfici: formulazione di analisi delle metasuperfici tramite script ad hoc in matlab per il dimensionamento della struttura e utilizzo di CAD elettromagnetici come Feko per la verifica simulativa del comportamento di riflessione desiderato.
I pannelli realizzati con la cella quadrata hanno mostrato le prestazioni migliori in termini di ampiezza del coefficiente di riflessione per gli angoli desiderati avendo come termine di confronto (baseline) le prestazioni di un pannello PEC. Una volta progettate, le superfici sono state realizzate in tecnologia PCB ed è stata condotta una campagna di misure per verificarne le prestazioni. Le misure hanno dato esito positivo in linea con quanto stimato tramite full-wave.
IDS Terminata la realizzazione del livello fisico del sistema, è stato il turno della parte di IDS (Intrusion Detection System), che è stata sviluppata in maniera simulativa raccogliendo i dati utili attraverso un software di simulazione elettromagnetica di scenari EMPACT basato sulle tecniche ad alta frequenza e sul ray tracing. All’interno della scena, una stanza chiusa, sono presenti due trasmettitori noti, un ricevitore che funge da rivelatore (input del sistema IDS) e un terzo trasmettitore, che rappresenta l’avversario da rilevare. Per la raccolta dei dati e la valutazione delle prestazioni, sono stati simulati tre diversi scenari:
• Scenario base, stanza vuota senza i pannelli riflettenti
• Scenario 1, stanza vuota con i riflettori alle pareti
• Scenario 2, stanza arredata con una scrivania e con i riflettori alle pareti
L’analisi dei tre scenari mostra che l’IDS addestrato con i dati degli scenari 1 e 2 supera nettamente il modello basato sul solo scenario base. Testato su un terzo scenario (scenario 2 con la scrivania spostata), il sistema evidenzia un miglioramento di circa 10% nel rilevamento dell’intruso, confermando l’efficacia dei riflettori nel potenziare l’accuratezza dell’IDS.