TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 2, May 2015, pp. 270 ~ 27 9   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i2.748 5        270     Re cei v ed Fe brua ry 9, 201 5; Revi se d April 20, 201 5; Acce pted Ma y 1, 2015   QCA and CMOS Nanotechnology Based Design and  Development of Nanoelectronic Security Devices with  Encryption Schemes      S. Dev e ndra K. Verm a* 1 , P. K. Barhai 2 , V. Nath 3   Birla Institute o f   T e chnolo g y  ( A  Deeme d  Uni v ersi t y ), Mesra –  835 2 15, Ra nchi, Jhark h a n d , India     *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : SDKV@hotm a il.com,  pkb a rh ai@b itmesra.a c .in, vnath@b i tmesra.ac.in       A b st r a ct  In  WiMAX/WiF i  Wire le ss En viro nm ent the Tr ansfer of Data/Informati on is  vuln erab le to e x terna l   attacks as it takes place thr ough  an open- air medium . The Data/Infor m at ion is vulner able to Jamm ing,   Detectio n, Interceptio n, Ne tw ork Injecti on,  Interruptio n, Modific a tion, Pa cket Scrambli ng, F abric atio n ,   Una u thoris ed f o rw ardin g  an d  Deni al-of-S e r v ice (DoS ). O u r Research  Work focuses  on  ‘ Q CA & CMOS   Nan o tech nol og y based D e si gn & Dev e lo p m e n t of Nan o e lectronic Sec u rity De vic e s with Encryption  Sche mes to p r ovid e/enh anc e Security an d Privacy  for WiMAX/WiFi/Satellit e  Wireles s  Communic a t i o n   Systems. T h e  Sche mes  ar e bas ed  on   Dyna mic  C h a nne l H opp in g, Ran d o m   Ch ann el S e lecti o n,   Cryptogr aphy  and Encry p tio n  of Informatio n/Data/Co n trol C odes.      Ke y w ords :  na notech n o l ogy, CMOS,  QCA,  W i MAX,  W i F i ,  cryptogra phy, encrypti on co d e     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   WiMAX (Wo r ldwi de Inte roperability fo r Mi cr o w ave  Access) su pport s  a  variety of  Wirel e ss Bro adba nd  Co nn ection s,  su ch  as Wi rel e ssMAN, Wi rel e ssWA N,  Cellul a r Ba se  Stations  & WiFi Internet, IPTV o v er WiMAX, etc .  It pr ovides high-data -rat e  comm uni ca tions for Fixe d- Station (FS)  Subscri bers t o  a  dista n ce  of 30 mile s from a Ba se -Station (BS)  and for M obil e - Station (MS)  Subscri bers to 10 miles fro m  a BS.  In our Research  Work, the  Security Prin ciples used i n  WiMAX (IEEE 802.16e) and WiFi  (IEEE 802.11i) are analyzed and it  is found that many sophi sticat ed Techniques  are embedded  into Wi MAX  and  WiFi  for  Authenticatio n an d En cryp tion, but it  still expo se s to  variou s Se cu rity   Attacks. There are Security Vu lnerabilities i n  both P H Y and MA C Layers  of  Wi MAX. It exposes  t o  v a rious  cla s s e s of  Wi rel e s s  A t t a ck s,  su ch a s   Jam m ing, Interce p tion, Modification, Fabri c a t ion,  Repl ay, etc. Similarly WiFi  is also  exposed to s u c h  Wireles s  Attacks .   WiMAX Pro g r amma ble T r ansceive r  i s   a Devi ce,  which t r an smit s an d receives  radi o   sign als si mul t aneou sly. It incre a ses it s ca pa city and usability in real-tim e applying F D D   (Freque ncy   Division Du ple x ing), whi c h provide s   sim u ltaneo us Ra dio T r an smi s sion  Chan nel s fo r  the Subscribe r  and th e BS. In Cha nnel/F reque ncy  Hop p ing a  numb e r  of Ch ann els are all o cated .   At the XMTR-End, for a fixed interval th e Tran sm itter transmit s  in  one chan nel  at a time and  the   RCV R-En d, the Receiver  synchro n izes with t he T r a n smitter  by h oppin g  bet we en the  Cha n nels  and the Me ssage is reconfi gure d  acco rdi ngly.  In our  Re sea r ch  Wo rk, a P r ogra mmabl e  Secu rity Devi ce  (PSD) i s  d e sig ned/ d e velope d/  simulated for WiMAX/WiFi /Satellite Wireless  Com m unication  Sy stem s.  The CMOS Model  is  develop ed u s ing CA DENCE Software  T ool to the  scale of 45  nan ometer &  1.0 v , and the Q C A  Model u s ing  QCADesi gne r Tool with  Cell size <2 0 nanom eter &  powe r ed  wit h  Clo ck Sig n als  only. The Mo del is sim u lat ed with four  Buse s/ Ca rri ers/Ch ann els, tran smitting  Messag es from  four Sou r ces/Use r s to fo ur Destin ations  ho ppin g  among fo ur  Cha nnel s an d the Re cei v er  synchro n izes with the Transmitte r an d the Mess a ges a r e reco nfigure d  accordin gly for four  De stination s . The PSD System is base d  on Netw ork, inco rpo r atin g Dynami c  Ch a nnel Ho ppin g ,   Ran dom  Cha nnel Sele ctio n and En cryp tion of Messa ges a nd  Cont rol Code s to  provide Se cu rity  & Privacy in WiMAX/WiFi  Wirel e ss Co mmuni cation  Networks.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     QCA and  CM OS Nanote c h nolog y Based  Desi gn an d De velo pm ent… (S. Deven d ra K. Verm a)  271 2.  Securit y  Threats in WiM A X & WiFi   The  WiMAX  and  Wi Fi P r otocols a r e  exami ned  to  evaluate  th e Se curity M easure s   provide d . Th e Secu rity Archite c ture fo r WiMAX  is ba sed o n  two m a jor con c ept s: Requireme n t s ,   appli c able to  the Netwo r k Elements a nd Systems,  con s tituting the end to-e nd network, are   addresse d b y  the Security Layer s. Fo r Data Encry p tion, there  are two Sch e mes – a )  AES  (Advan ced E n cryptio n  Standard and b )  3DES (Tripl e Data Encry p tion Standa rd). For the  WiFi  Protocol, the WEP (Wired  Equivalency  Privacy)  En cryption S c h e me wa s first introduced  and   later it was  modified and the WPA (WiFi Prot ec ted Acc e s s ) Sc heme was  adopted. A PSK (Pre- Share d  Key)  is create d  to authori z e  con t act.  WPA is  further e nha n c ed a nd  WPA2 Schem e is  introduc e d [1-3].  The Security  Archite c ture  and Prin cipl es u s ed in t he WiMAX (802.16 e Prot ocol ) an d   WiFi (8 02.11i ) are a nalyse d and foun d that it is  not sufficient to prevent/prote ct from Ja mmin g ,  Interce p tion  and  Data  T r affic M odifi cation. Ap pli c ation  of Chann el/Fre qu ency  Hop p i n g   Tech niqu e  wi th Encryption  Key an d  Co ntrol  Co des i s  m o re   suita b le to  deal  wi th Ja mming   and  Interce p tion  and p r ovide  the re quire d preve n tion  and p r ote c tion. This  ki nd of Se curity  Manag eme n t  is a Netwo r k-b a sed Def ence  (NB D ) Schem e.  Its cap ability  is enha nced wi th  appli c ation of  Control  Cod e  and Key Co de [4-7].   In WiMAX/Wi Fi Wi rele ss/Mobile  Co m m unication, t here  a r e  different  types o f  Secu rity  Thre ats, su ch  as: Jammin g /  Interception  of the  Communication Li nk, Intercepti on/ Modificati on/  Fabri c atio n/ Forwarding  o f  the Messa g e , Cloni ng/  S e cu rity Co de  Violation, et c. The  Security  Services are  classified as:  Confid entiality, Nonrepudi ation,  Authentication, Integrity, Availability,  Prevention  of Secu rity Violation, Securit y  Dete ct io n,   Re cov e ry ,  et c.  The  Te chn i que s (S che m es )   use d  to p r ote c t Security a nd Priva c y are: Ch a nnel/F reque ncy  Hop p ing, En crypti on of Me ssag e,  Source/Desti nation Code s, Au thentication, etc [8-1 1].  The Secu rity Device s & Scheme s  a r e ba sed on  Chann el/Freque ncy Ho pping, a   Tech niqu e in  whi c h a  nu mber  of Cha nnel s a r e all o cate d an d t he Tran smitter tra n smits i n  one   cha nnel  at a  time for a   fixed interval . Duri ng t hat  interval  so me num be r  of bits  (data )  is   transmitted u s ing  some e n c odi ng sche me. A Receiv er, hoppi ng b e twee n Cha n nels/F r eq uen cie s   synchro n izes with the Tra n smitter a nd  the messa ge  is re co nfigure d  acco rdin gly. There a r e t w o  basi c  type s  of Fre que ncy  Ho pping, i d entified a s : a )  S-F H   (Slo w-Freque ncy  Hop p ing ) , wh ere  several Symbols/Multipl e   Bits are tran smitt ed on  e a ch F r e que n c y Ho p, and  b) F-FH  (F ast- Freq uen cy Hoppin g ). It enable s  the Carrie r Fre q uen cy durin g  the Transmissi on of one  Symbol/Bit to  chan ge/ho p several times.  In this  Re sea r ch  Work a  PSD (P rog r am mable Se cu ri ty Device ) i s   desi gne d, ba sed  on   Cha nnel/F req uen cy Hoppi ng Te ch niqu e  alon g  with  E n cryptio n  of  Messag es an d Control  Co des  for providi ng  Secu rity and Privacy in Wi MAX/WiFi Wi rele ss  Comm unication.       3.  CMOS & Q C A Tech nolog y  CMOS (Com plementa r y Metal-oxid e Semico ndu ct or) L ogi c is a  combi nation  of PMOS  and NM OS Logic. The  CMOS Logi c Functio n s a r e desig ned u s ing both P-Type and N-Type  Tran si stors.  The Po we r  Dissip ation i n  CM OS  takes pl ace onl y when  Ci rcuit swit che s   and it  con s um es ve ry little po we r. It sup port s  fabri c at ion   of VLSI Circuits  with ma ny more CM O S   Gates o n  an IC having mu ch better pe rfo r man c e.   QCA rep r e s e n ts an  eme r g i ng Te ch nolo g y, which wa s first intro d u c ed  by Lent  et al in  1993.  QCA  L ogic States  a r e  rep r e s ente d  with  Qua n t u m Wells ha ving 4  Quant um-Dots an d  2   mobile Ele c trons. In th e  QCA  Cell, th e Electr on T unnellin g fa ci litates the m o vement of t he  Electro n s  to different Qua n tum-Dots  p o sitioni ng  dia gonally, b a sed o n  the  Columbi c  F o rce.  There are t w o p o ssibl e   Polari zation s:  +1  (Bina r y 1) an d -1 (Binary 0),  d epen ding  on  th e   Electro n s’  po sition s. In QCA a Logi c Sig nal Tr an smission Cha nnel is  kno w n  a s  Binary  Wi re. The  Cell s tran smi t  information  in Co ded fo rm (0 o r  1 )  from one  Cell  to anothe r in  the Binary  Wire   without any  current flow. E a ch  Cell’ s Po lariza tion d e p end s upo n its previou s  nei ghbo ring  Cell ’s   Polari zation. I n  the case of  Inverter  Chai n, t he tran sm issi on of  Cod e  take s pl ace  with inve rsio n  of the Code o f  the previous neighb orin g Cell.   Majority G a te  is u s e d  to im plement  QCA .    It con s ist s   of one  Ce nter  (Device ) , three Input   and one O u tput Cells. If A, B, C are Inputs then O u t put (the ma jority of A,B,C)  = M(A,B,C) =  AB+BC+CA. The  A N D  logi cal ope ration  is  p e rfo r med   if the inp u t p o lari zation  of  Control Inp u t  is  fixed to -1  (lo g ic 0 )  a nd th e OR logi cal  operation  i s  p e rform ed i n  the case of  +1 (lo g ic  1).  When  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  270 – 279   272 the Cell s are  placed diag o nally, the NO T logical o p e r ation is pe rfo r med. The M a jority AND,  OR   and NOT Gat e s are sh own  in Figure 1.           Figure 1. Majority Gates      A Multizon e  Clo ck  Mecha n ism i s  requi red fo r Data  Propa gation i n  the Q C A Circuit. It  has fou r  Clo c k Signal s wit h  90 deg ree  relative pha se differen c e  with each oth e r. Zone 0, Z o n e   1, Zone 2 an d Zone 3 are  identified as four Cl o ckin g  Zone s, and  Switch, Hold , Release an d  Relax States are ide n tified as fou r  Clo ck Ph ase/ States. Each  Ce ll is con n e c te d to one of four  Phase s   of the QCA  Clo ck in a  Clo cki ng  Zone.  De p e n d ing  o n   the p o lari zation of the  neig hbo ri ng   Cell, the S w itch and  Hold  Stat es determine the  QCA Cell’s Polari zation while the Rel e ase  and  Relax States are un pola r i z ed. With th e  chan ging of   the Clo ck Sig nal ea ch Cell  is latche d a n d   unlatched. Th e QCA Clo c k  and Q C A Clo ck Z one s are sho w n in Fig u re 2 [12 - 17].         Figure 2. QCA Clock Sign al      4. Metho dolog y  Our  app roa c h will b e  to d e sig n , develo p , qualify and  optimize  PSD-CMOS M o del to the   Scale   of  4 5  nanom eters and Voltage  = 1.0V, usin g CADENCE  Software To ol. Also simu late,  layout and verify PSD-Q CA Model  with QCA- Cell  size < 20 na nomete r , usi ng QCA D e s i gner  Tool. Th e ‘ M olecula r   Nanoel ectroni cs’ T e ch nolo g y  and th e ‘ T op-do wn’  a ppro a ch i s   more   suitabl e for o b taining  Nan o stru ctu r e wit h in the si ze o f   < 50 nm scale and  Cell size < 2 0nm. PSD  will be a new  Device to pro v ide/enha nce  Security  and  Privacy for WiMAX/WiFi/Satellite Wirel e ss   Comm uni cati on Systems. [18-2 0 ].      5.  Simulation Tools & Setup   Two Sim u lat i on To ols a r e u s e d  to  de sign, d e velop, mod e l  and  qualif y PSDs   (Prog r am mab l e Security Device s). Ca d ence So ftware Tool is use d  to model PSD-CMOS a n d   QCADesi gne r Tool is u s e d  to model PSD-QCA Devices.     5.1. CADENCE Soft w a re  Tool  The Cade nce Software T ool is a n  Ele c troni c  De sig n  Automation  Software, u s ed fo r  CMOS Ci rcui ts Simulation . It is kno w n  as  Ca den ce  Analog and  Digital Syste m  Desi gn To ols  (GPDK 46nm ). The Pro c e s s Ge ometri e s  in clud e th e  length a nd  width of a T r an sisto r  to t h e   scale s  of 45n m and 65n m respe c tively.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     QCA and  CM OS Nanote c h nolog y Based  Desi gn an d De velo pm ent… (S. Deven d ra K. Verm a)  273 5.2. QCADe s i gner   The Q C ADe s ign e r T ool i s  u s ed  for  Q C A Ci rcuits  Simulation, constructe d  wi th QCA  Cell s (e ach cell size =  20 nm). The T o ol having  CAD capabilitie s, helps to lay out and  simul a te  QCA  Circuits. To facilitate rapi d and accurate sim u l a tion, QC A D esigner has t h ree Simulati on  Engine s: a)  DLSE (Digital  Logi c Simula tion Engine ),   whi c h d e term ines  Cell s to  be eithe r  null  or  fully polariz ed; b) NASE (Nonli near Approximation Simulation E ngine), whic h determines  t he  stable  state  o f  the Cells,  d epen ding  on  the n onlin ear cell-to -cell re spo n se  fun c ti on;  an d c)  TS SE  (Two-State S i mulation Engine),  whic h forms  an  ap proximation of  the full qu ant um me ch anical   model. In Q C A Ci rcuits,  the co ntrol of  the flow  of i n formatio n is perfo rmed  u s ing fo ur  Clo ck  Signals: Cl ock Zone  0, Clo ck Z one 1,  Cl ock Zone 2 a nd Clo c k Zon e  3.      6. Simulation  Model   A PSD (Programmabl e Se curity  Device) is de sig ned  with Swit che s /Tran s mi ssio n  Gate s  (TG )  for XM TR-En d  a n d  RCV R-E nd.  The Simul a tion Mod e l (defined fo r  comm uni cati on),  comp ri se s of  four Bu s Carriers/ Cha nnel s (as B 0 , B1, B2, B3), four  Source/Use r  Comm uni cati o n   Links (a s S0, S1, S2, S3), four Destin ation Links  (as  D0, D1, D2,  D3), an d four  Control Lin ks  (as  C0, C1,  C2 , C3). The r e are fou r   Freq uen ci es as s i gned (as  f0, f1, f 2 , f3) for Bus   Carrie rs/ C ha nnel s  (a s B0,  B1, B2, B3 ).  The  Co ntrol  L i nk i s  used  to  sel e ct  a Bu s  Carrie r fo r e a c h   User/Sou rce  Link i n  thi s   configuration f o r tr an smitting Me ssage/ Data. Similarly ,  for re ceivin g   Data, the  Co ntrol Lin k  i s   use d  to syn c hroni ze th e transmitte r an d sel e ct Bu s  Carrie r for  e a ch  De stination  L i nk. T he PS D (Programma ble Se cu rity   D e vice) is show n in Figure 3. The C M OS   Tran smi ssi on  Gate  Circuit  and th e T r an smissio n  G a te Ci rcuit Anal ysis  are  sho w n i n  Fig u re  4 &   Figure 5.        Figure 3. Pro g ramm able S e cu rity Device            Figure 4. CM OS Tran smi s sion G a te Circuit   Fi gure 5. CM OS Tran smi s sion G a te Analysis    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  270 – 279   274 There are two Model s: PSD-CMOS M o del an d PSD-QCA Mo del,  desi gne d, de veloped,  simulate d a nd analysed ,  having a set of 4 Bus Carri e rs  (Ch ann e l s), Source/ U ser   Comm uni cati on Links an d Control Links and it  can be expan ded to a set  of 8, 12 or 16   Cha nnel s.     6.1. PSD-CMOS  Model   The PSD-CM O S Model  is  desi gne d an d  develop ed u s ing  CA DENCE Softwa r e  Tool to  the scale of  45 nm an d  1.0V. CMOS  Switche s /T ransmi ssion Gates (TG )  Matrix  is  u s e d   to   desi gn PS D for XM TR-End a nd  RCVR-End. T he  PSD Swi t ch M a trix i s  nee ded  at  both  Tran smitting  and  Receivin g Ends fo r co nfigurin g diffe rent Pattern s.  The same P a ttern is  used  b y   both the XMTR and  RCV R for tran sm itting and re ceiving the  Data/Me s sag e . A set of four  Switche s /T ra nsmi ssi on G a tes a r e  con necte d to ea ch  Contrl  Lin k . One  Co ntrol Lin k  is  sel e cted   at a time and each Switch  conne cts o n e  Use r /Sou rc e Link to one  Bus Link at the Tran smitti ng   End and si mil a rly one Desti nation Lin k  to  one Bus Lin k  at the Receiv ing End.  In this Mod e l, for four  Cont rol Lin k s (a s  C0, C1, C2,  C3), a  set of f our  Cont rol Code s (a s  CC1, CC2, CC3, CC4) a r e  defined hav i ng different value s  as follo ws:     CO NTR O L LI NK  CO NTR O L  C O DE   C0        CC1 = 11 0 0000 1   C1        CC2 = 11 0 0001 0   C2        CC3 = 11 0 0001 1   C3        CC4 = 11 0 0010 0     For e a ch Ch annel/F req u e n cy Hoppi ng,  the Co ntrol  Cod e  is  sel e cted ra ndomly,  and the  asso ciated  Control Li nk i s  activated a c cordingl y for  allocating Bu s Carriers (Chann els) to the  User/Sou rce Links at  the   T r an smi tting E nd, an d  simil a rly allo catin g  the B u s Ca rrie r s (Ch ann els)  to the  De stination  Lin k s at the  Re ceiving  End. Duri ng ea ch   Ch ann el/Fre quen cy Hop p ing,   Messag e/Dat a  is tran smit ted from  the  User/S o u rce  Lin k s to th e corre s po nd ing  De stination  Links. Again  for the next Chann el/Freque nc y Ho pping, a ne w Co ntrol Code is  sele cted  rand omly, the asso ciated  Control Lin k  is activa ted,  Chan nel s are allocated a nd tran sa ctio n of  Messag e/Dat a  take s pl a c e a s  m enti oned  above.  For  en cryp ting the Co ntrol  Code   and   transmitting to the Re ceivi ng End, an Encryptio n  Key is defined.   A set of  Transmi ssion   Gates (T G)  are  used fo r Switch  Mat r ix. Usi ng  CADENCE  Software To o l , a PSD-CM O S Model is  simulate d (for 1.0V and 45  nm scal e ). T he PSD-CM O S  Model an d the PSD-CMO S Model Anal ysis are sh own in Figure 6 & Figure 7 re spe c tively.             Figure 6. PSD-CMOS Mo del   Figure 7. PSD-CMOS Mo del Analysi s       6.1.1. Simula tion Re sults  & Analy s is   A PSD-Cha nnel/Frequ en cy Hoppin g  Pattern i s  simul a ted  in which  for e a ch   Cha nnel/F req uen cy Ho ppi ng Time Slot s (as t0, t1,  t2, t3), the Control Code s a r e  sele ct ed  rand omly in  the  seq uen ce   of CC2,  CC4,  CC1  and   CC3. For e a ch  Cha nnel  Hop p ing  Time  Slots,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     QCA and  CM OS Nanote c h nolog y Based  Desi gn an d De velo pm ent… (S. Deven d ra K. Verm a)  275 the Source/User Li nks are  alloca ted to the Bus Ca rri ers (Ch ann el s) where the S0 is linked t o   B1, B3, B0 and B2 in  seq uen ce  corre s pondi ng to th e Ch ann el/Freque ncy  Hop p ing Tim e  Slots  t0, t1,  t2 and t3 as sho w n b e low. The PS D-Ch a nnel  Hoppin g  Pattern is sh own in Figure 8.        Figure 8. PSD-Cha nnel  Hoppin g  Pattern      BUS C A RRI ER        HOPPING TIME SLOT   (Linked to  Source )    t0  t1  t2  t3   B0     S1  S3  S0  S2  B1     S0  S2 S3 S1  B2      S3 S1 S2  S0   B3     S2  S0  S1 S3      The Simulati on Model u s i ng CADE NCE (for  1V and  45 nm scal e ) is analysed  and it is   found that th e perfo rma n c e of the  Ci rcuit M odel f o r Swit ch M a trix is verifi ed an d quali f ied   function ally.      6.2. PSD-Q CA  M O DEL   The PSD_ Q CA Model i s  desig ned  an d develop ed  usin g the Q C ADe s ig ne r Tool with  QCA Cell si ze < 20 nm, a nd its pe rformance is  a n a lysed a nd q ualified. The  PSD-Q CA M odel  and PSD-QCA Model Anal ysis are sh own in Figure 9 & Figure 10.             Figure 9. PSD-QCA Mod e l   Figure 10. PSD-QCA Mod e l  Analysis    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  270 – 279   276 The PSD-QCA Logic is d e fined a s  follo w s :  Cas e  1: C0 Control Link is selected:  QCA AND Lo gic 0: B0 = m ( C0,S0,0 )  =  m(1,S0,0)  = S0  QCA AND Lo gic 1: B1 = m ( C0,S3,0 )  =  m(1,S3,0)  = S3  QCA AND Lo gic 2: B2 = m ( C0,S2,0 )  =  m(1,S2,0)  = S2  QCA AND Lo gic 3: B3 = m ( C0,S1,0 )  =  m(1,S1,0)  = S1    Cas e  2: C1 Control Link is selected:  QCA AND Lo gic 0: B0 = m ( C1,S1,0 )  =  m(1,S1,0)  = S1  QCA AND Lo gic 1: B1 = m ( C1,S0,0 )  =  m(1,S0,0)  = S0  QCA AND Lo gic 2: B2 = m ( C1,S3,0 )  =  m(1,S3,0)  = S3  QCA AND Lo gic 3: B3 = m ( C1,S2,0 )  =  m(1,S2,0)  = S2  Cas e  3: C2 Control Link is selected:  QCA AND Lo gic 0: B0 = m ( C2,S2,0 )  =  m(1,S2,0)  = S2  QCA AND Lo gic 1: B1 = m ( C2,S1,0 )  =  m(1,S1,0)  = S1  QCA AND Lo gic 2: B2 = m ( C2,S0,0 )  =  m(1,S0,0)  = S0  QCA AND Lo gic 3: B3 = m ( C2,S3,0 )  =  m(1,S3,0)  = S3    Cas e  4: C3 Control Link is selected:  QCA AND Lo gic 0: B0 = m ( C3,S3,0 )  =  m(1,S3,0)  = S3  QCA AND Lo gic 1: B1 = m ( C3,S2,0 )  =  m(1,S2,0)  = S2  QCA AND Lo gic 2: B2 = m ( C3,S1,0 )  =  m(1,S1,0)  = S1  QCA AND Lo gic 3: B3 = m ( C3,S0,0 )  =  m(1,S0,0)  = S0      7.  PSD (Progra mmable Securit y  De v i ce)–2   There are three types of E n cryptio n -ba s ed  PSD-2 Mo dels: a )  PSD-2 Model -A, b) PSD-2  Model -B and  c) PSD-2 M odel-C. The r e are 1 6  Encryption Code s (ECs) defin ed and i denti f ied  with  Cod e  No. (Cn).  One  Co de  No. i s  sel e cte d  ran domly an d th e corre s po nd ing En cryptio n   Cod e  (EC) is identified an d use d  for E n cryptio n  Scheme s . A Ta ble with  Cod e  No. (Cn )  a nd  Encryptio n  Code s (ECs)  i s  define d  as f o llows:     CO DE NO. ( C n) :   ENC R YPTIO N CO DE (E C ) :   C0:     1111 1111   C1:     1010 1010   C2:     0101 0101   C3:     1100 1100   C4:     0011 0011   C5:     1111 0000   C6:     0000 1111   C7:     1100 0011   C8:     1110 0111   C9:     0001 1000   C10:     1100 0011   C11:     0011 1100   C12:     1000 0001   C13:     0111 1110   C14:     1100 1111   C15:     1111 0011     7.1. PSD-2  Mod e l-A  In this model , at the XMTR-En d , one  Cod e  No. (Cn) is  sele cte d  ran domly and the  corre s p ondin g  8 - bit En cry p tion  Cod e   (EC) i s  i dentifi ed, an d 8 - bit  Data  (D) to  be tran smitted is  XOR  with it  and tran smitted alo ng  wit h  the  En cryption Code  (E C). At the  RCVR-End, th e  received En crypted  Data i s  XO R with t he En cryptio n  Co de  (EC)  and the t r an smitted Data  (D) i s   retrieve d. A PSD-2 Mo del -A is sho w n in  Figure 1 1 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     QCA and  CM OS Nanote c h nolog y Based  Desi gn an d De velo pm ent… (S. Deven d ra K. Verm a)  277     Figure 11. PSD-2 M odel -A       7.2. PSD-2  Mod e l-B  In this model , at the XMTR-En d , one  Cod e  No. (Cn) is  sele cte d  ran domly and the  corre s p ondin g  8-bit En cry p tion  Cod e  (EC) i s  i dentifi ed, 8-bit Data  (D) to  be  tra n smitted  is XOR  with it. Th e  XOR  Data  a nd the  En cry p tion  Cod e   (EC)  both  are  furthe r inve rted o r  XO R  with   ‘1111 1111’  separately an d tran smitted .  At the  RCVR-En d, the Encrypte d Data and En cryp tion  Cod e  are first inverted or XOR with ‘11 1 1111 1’  sep a rately and then they are XOR togethe r and   the trans m itted Data (D) is  retrieved.  A PSD-2 Mo del -B is sho w n in  Figure 1 2 .          Figure 12. PSD-2 M odel -B       7.3. PSD-2  Mod e l-C  In this  model , the Ta ble  with  Cod e   No. (Cn) an d  Encryptio n   Code s (E C) is available  at  both  XMTR-E nd a nd RCVR-En d . At the XMTR-En d , a  Code No. (Cn )  is sele cted  randomly an d  th e   corre s p ondin g  8-bit En cry p tion Co de  (EC) i s  sel e ct ed and th e 8 - bit Data (D) t o  be tra n smitt ed is  XOR with it and tra n smitt ed alon g wit h  the Co d e  No. (Cn). At the RCV R-E nd, the re cei v ed  Encrypte d Data is XOR  with the Encryption Co d e   (EC)  co rresp ondin g  to the  Code  No. (Cn)  received, and  the transmitt ed Data (D) is retr i e ved. A PSD-2 Mod e l  is sho w n in  Figure 13.           Figure 13. PSD-2 M odel -C      8.  PSD-2 Logic  Circuit Mod e l  A PSD-2 Log ic Ci rcuit for  both XMTR-END  a nd RCVR-END i s  d e sig ned a s  shown in  Figure 14.       Figure 14. PSD-2 L ogi c Ci rcuit   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  270 – 279   278 8.1.  PSD-2 CMO S  Model  The PSD-2 X O R-CM OS M odel a nd th e  PSD-2 X O R-CMOS M odel  Analysi s  a r e  sh own   in Figure 15 a nd Figu re 16.           Figure 15. PSD-2  CMOS M odel   Figure 16. PSD2 CM OS M odel Analysi s       8.2. PSD-2  Q CA  Model   The PSD-2 Q C A Model is  desi gne d and  developed a nd its perfo rm ance is analy s ed an d  qualified. T h e  PSD-2 Q C A  Model  and  th e PSD-2  QCA Model  Anal ysis  are  sho w n in  Figu re l 7  &  Figure 18.             Figure 17. PSD-2  QCA Mo del   Figure 18. PSD-2  QCA Mo del Analysi s       The PSD-2 Q C A Logi c is d e fined a s  follows:  QCA NA ND L ogic 1: x 1  = ( m (EC,D, 0) )’  QCA NA ND L ogic 2: x 2  = ( m (EC,x 1 ,0) ) ’   QCA NA ND L ogic 3: x3 = (m(x1,D,0 ))’   QCA NA ND L ogic 4: x4 = (m(x2,x3,0))’       9. Conclu sion   Our Re se arch Wo rk  i s   fo cu sed on  Appli c ati on of  CM OS-VLSI an d Q C A  Nan o technol ogy in WiMA X/WiFi/Satellite and ot h e r Wirel e ss Co mmuni cation Systems.  A PSD  (Prog r am mab l e Security Device) is d e sig ned, dev elope d mode lled and qua lified base d  on   CMOS  Nan o tech nolo g y (to  the scale  of  45 nm  and  1.0v) and  Q C A Nan o technol ogy (to the  scale  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     QCA and  CM OS Nanote c h nolog y Based  Desi gn an d De velo pm ent… (S. Deven d ra K. Verm a)  279 of Cell  size < 20 nm ), appl icabl e to Wi MAX/WiFi /Satellite Wirel e ss Commu nication System s i n   Real -time En vironme n t to  provide Se cu rity and Prim acy. This Research Work will lead to Design   & Develop o f  Smart  &  Small Device s and p r ovid e Archite c tu ral Innovation ,  Value Added  Service s , Full  Scale QoS (Quality of Serv ice) an d Hig her Se curity & Privacy.       10. Futur e  Wor k   Our  Re sea r ch Wo rk  will a ddre s s Lon g  term Te chni cal Chall eng e s , and it will focu s on  De sign,  Dev e lopme n t an d Tra n sfo r ma tion of CM OS-VLSI Circ uits /Devices /S ys tems  int o   QCA   Nan o technol ogy for WiM AX/WiFi/Satellite and  oth e r Wi rele ss  Comm uni cati on Systems to   achi eve Lo w Power, L o w  Voltage,  Miniaturi z atio n, Added F eature s /Fu n ct ionalitie s an d   Reliability.      Referen ces   [1]  WiMAX  Forum.  Mobile WiMAX  –  Part I: A  T e chn i cal Overv i e w  a nd Perfor mance Eva l uat ion. 20 06.   [2]  WiMAX  Forum.  Mobile WiMAX  – Pa rt II: A C o mparativ e Analy s is. 2006.   [3]  Ghosh, et  al. B r oad ban d W i re l e ss Access  w i t h   W i MA X/80 2.16: C u rrent P e rformance Ben c hmarks  a n d   Future Potential.  IEEE Comm unic ations M aga z i ne.  2 005:  129-1 36.   [4]  Jacob a  Stuar t. W i MAX Subscri ber an d  M obil e  Station Auth entic ation C hal le n ges.  IEEE  Co mmun icati o ns Maga z i ne.  2 011: 16 6-1 72.   [5]  Johns on  Davi d ,  Walker Jess e. Overvie w   of  I EEE 80 2.16  Securit y .  IEEE  Comp uter S o ciet y  Press.   200 4; 2(3): 40- 48.   [6]  Kim H y ung-J o on. IEEE 802.16/WiMAX  Se curit y , WiMAX   Securit y  Fu ncti ons. Dept. of Electrical a n d   Comp uter Engi neer ing, Steve n s Inst itute of T e chnolog y. N J , USA.  [7]  Xu S en, Math e w s Mant on,  Hua ng C h in-T ser.  Securit y  Issues in Pr iv ac y   an d Ke y  Mana geme n t   Protocols of IEEE 802.1 6 , WiMAX  Sec u rit y   Functi ons. De p t. of CSE, Univ. of South Caro lina.   [8]  Elmasr y Ge or ge F ,  W e ls h  Ro bert, Jai n  Man o j, H o e  Ben. S e curit y   an d N e t w or k Operati ons,   Chal le nges  w i t h  Cell ul ar Infrastructure in t he T a ctical T heater.  IEEE Comm unications Maga z i ne.   201 1: 72-8 0 .  [9]  Hegl an d An ne  Marie, Ko ngs b e rg D e fenc e &  Aerosp ace, W i njum  Eli, H e d enstad Ol e-Eri k , Nor w e g ia n   Defenc e Rese arch Establ ish m ent. A F r amew o r k for Au the n ticatio n  in NB D T a ctical Ad Hoc Net w orks .   IEEE Communications Maga z i ne.  20 11: 64- 7 1 .  [10] Barbe au  Mich e l .  W i MAX/802.16 T h reat An al ysis . Proceed in gs of the ACM Int. W o rkshop on Qual it y  o f   Service a nd Se curit y  i n  W i rele ss and Mob ile  Ne t w orks, Q2S w i net ’ 05, ACM  Press. 2005: 8 - 15.  [11]  Baldini Gianmarco, J RC-EC,  Picchi Ottavio,  Luise Marco. T he EU LER Project: Applicat ion of Soft w a re  Defin ed Ra di o in Joi n t Securit y  Oper ations.  IEEE Communications Maga z i ne.  201 1: 55-6 2 .  [12]  CS Lent, et al. Quantum Ce llu lar Automata.  Nan o tech nol og y.  1993; 4(1): 4 9 -57.   [13]  PD T ouga w ,  C S  Lent. Log ica l  Devices Im p l emente d  Usin g Quantum Ce llul a r Automata .  Journal o f   Appl ied P h ysic s .  1994; 75( 3): 181 8-18 25.   [14]  CS Lent, B Isaksen. Cl ock ed Mol e cul a r  Quantum-D ot Cell ul ar Auto mata.  IEEE Transaction on  Electron D e vic e s.  2003; 5 0 (9) .   [15]  A Imre, et al. Majorit y  L o g i c  Gate fo r Magn etic Quantum- D ot  Cel l ul ar A u tomata.  Sci ence .  200 6; 31 1:   205- 209.   [16]  I Amlani, et al. Digita l  lo gic  usi ng Quant um-d ot Cell ular Aut o mata.  Scienc e . 1999; 2 84: 2 89-2 91.   [17]  JC Elle nbo ge n. A Brief over vie w   of N ano el ectronic D e vices.  MITRE MSR P r ogram . 19 98.   [18]  S Deve ndr a, K Verma, PK  Barha i . Desi gn  & Deve lo pme n t of Na noe le ctronic AOI &  OAI Device s   base d  on  CM OS and QCA ( Q uantum-D ot Cell ul ar Autom a ta) Nan o tech nol og y.  IJAET Journal.  20 13;   6(1).  [19]  S Dev e n d ra, K  Verma, PK  B a rha i . Des i g n   & Dev e lo pme n t  of Na no electr onic  Bin a r y   De cision  T r ee   Device  bas ed  on CMOS an d  QCA (Quantu m-Dot  Cel l ul ar  Automata) Na notech n o l og y.  IJCA Journ a l.   201 2; 7(1).  [20]  S Devendra, K Verma, PK Bar hai . Des i g n  & Devel opm ent o f  ‘Programma bl e Securit y  C o n t roller (PSC )   (A Nanotec hn o l og y D e vice) ’  for W i MAX/W i F i  W i reless Com m unic a tion.  IJMAN Journ a l.  201 2; 2(1).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.