Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito
| Ano de defesa: | 2018 |
|---|---|
| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba Brasil Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
Não Informado pela instituição
|
| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3301 |
Resumo: | The growing demand for wireless communications systems makes security an important and difficult design task. Therefore, in this thesis we approached different studies at physical layer security considering different scenarios of partial secrecy requirements, multiple antennas and finite blocklenghts. With respect to the partial secrecy regime, we evaluate the secure energy efficiency (SEE) of a cooperative network subject to partial secrecy requirements, implemented through a fractional equivocation parameter θ ϵ (0, 1] that allows partial secrecy when θ < 1. We assume that only the channel state information (CSI) of the legitimate channel is available, while the CSI with respect to the eavesdropper is unknown. Then, we propose a CSI-Aided Decode-and-Forward (DF) scheme, in which the transmitter uses the available CSI in order to choose between direct and cooperative paths. Moreover, the relay employs either Repetition Coding (CSI-RC), i.e., source and relay use the same codebook, or Parallel Coding (CSI-PC), when different codebooks are used. By resorting to the Dinkelbach algorithm, we propose a joint power allocation scheme, which also optimizes θ to maximize the SEE. Our schemes are compared with the traditional DF, Amplify-and-Forward (AF), and Cooperative Jamming (CJ). Extending the previous analysis, we also study the SEE in a cooperative scenario where all nodes are equipped with multiple antennas. Moreover, we employ secrecy rate and power allocation at Alice and at the relay in order to maximize the SEE, subjected to a constraint in terms of a minimal required secrecy outage probability. Considering this MIMO scenario in which only the CSI with respect to the legitimate nodes is available at Alice, we compare the Artificial-Noise (AN) scheme with CSI-Aided Decode-and-Forward (CSI-DF). Lastly, considering a more restrictive scenario with respect to the CSI, but more realistic, in which the legitimate transmitter has no knowledge of the instantaneous channel state information with respect to neither the legitimate receiver nor the eavesdropper, we investigate the secure throughput in a delay-critical scenario, such as in some applications of machine-to-machine communications, so that users communicate with a finite blocklength. In this approach, the performance of direct and selective decode-and-forward cooperative communication strategies are compared. |
| id |
UTFPR-12_30fbff489befb3cb678b012a8f7f26ae |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/3301 |
| network_acronym_str |
UTFPR-12 |
| network_name_str |
Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
| repository_id_str |
|
| spelling |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finitoCooperative secure communication schemes considering partial secrecy regimes, multiple antennas and finite blocklengthsEnergia - ConsumoSistemas de comunicação sem fio - Medidas de segurançaSistemas de transmissão de dados - Medidas de segurançaCódigos corretores de erros (Teoria da informação)Rede de computador - ProtocolosAnálise numéricaMétodos de simulaçãoEngenharia elétricaEnergy consumptionWireless communication systems - Security measuresData transmission systems - Security measuresError-correcting codes (Information theory)Computer network protocolsNumerical analysisSimulation methodsElectric engineeringCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOESEngenharia ElétricaThe growing demand for wireless communications systems makes security an important and difficult design task. Therefore, in this thesis we approached different studies at physical layer security considering different scenarios of partial secrecy requirements, multiple antennas and finite blocklenghts. With respect to the partial secrecy regime, we evaluate the secure energy efficiency (SEE) of a cooperative network subject to partial secrecy requirements, implemented through a fractional equivocation parameter θ ϵ (0, 1] that allows partial secrecy when θ < 1. We assume that only the channel state information (CSI) of the legitimate channel is available, while the CSI with respect to the eavesdropper is unknown. Then, we propose a CSI-Aided Decode-and-Forward (DF) scheme, in which the transmitter uses the available CSI in order to choose between direct and cooperative paths. Moreover, the relay employs either Repetition Coding (CSI-RC), i.e., source and relay use the same codebook, or Parallel Coding (CSI-PC), when different codebooks are used. By resorting to the Dinkelbach algorithm, we propose a joint power allocation scheme, which also optimizes θ to maximize the SEE. Our schemes are compared with the traditional DF, Amplify-and-Forward (AF), and Cooperative Jamming (CJ). Extending the previous analysis, we also study the SEE in a cooperative scenario where all nodes are equipped with multiple antennas. Moreover, we employ secrecy rate and power allocation at Alice and at the relay in order to maximize the SEE, subjected to a constraint in terms of a minimal required secrecy outage probability. Considering this MIMO scenario in which only the CSI with respect to the legitimate nodes is available at Alice, we compare the Artificial-Noise (AN) scheme with CSI-Aided Decode-and-Forward (CSI-DF). Lastly, considering a more restrictive scenario with respect to the CSI, but more realistic, in which the legitimate transmitter has no knowledge of the instantaneous channel state information with respect to neither the legitimate receiver nor the eavesdropper, we investigate the secure throughput in a delay-critical scenario, such as in some applications of machine-to-machine communications, so that users communicate with a finite blocklength. In this approach, the performance of direct and selective decode-and-forward cooperative communication strategies are compared.A crescente demanda por sistemas de comunicação sem fio torna a segurança da informação transmitida um importante aspecto a ser considerado no desenvolvimento de novos sistemas. Desta forma, nesta tese abordamos diferentes estudos da segurança na camada física considerando cenários com regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. Com relação aos regimes parciais de segurança, investiga-se a eficiência energética segura (SEE, do inglês Secure Energy Efficiency) de uma rede cooperativa nos quais os requisitos parciais de segurança são implementados através de um parâmetro de equivocação fracionário, θ ϵ (0, 1], que permite segurança parcial quando θ < 1. Assume-se que somente a informação do estado do canal (CSI, do inglês Channel State Information) do canal legítimo está disponível, enquanto a CSI da escuta é desconhecida. Desta forma, propomos um esquema denominado CSI-Aided Decode-and-Forward (DF), em que o transmissor utiliza da CSI disponível do canal legítimo para escolha entre o caminho direto ou cooperativo. Além do mais, considera-se que o relay emprega Codificação de Repetição (CSI-RC), em que fonte e relay utilizam a mesma palavra-código, ou Codificação Paralela (CSI-PC), em que diferentes palavras-código são utilizadas. Para maximização da SEE, uma alocação conjunta de potência é proposta, utilizando o algoritmo Dinkelbach para alocação de potência, que também otimiza θ. Os esquemas propostos são comparados com o DF tradicional, Amplify-and-Forward (AF) e Cooperative Jamming (CJ). Estendendo a análise anterior, estuda-se a SEE para cenários cooperativos em que todos os nós são equipados com múltiplas antenas. É proposta uma alocação conjunta da taxa de confidencialidade e da alocação de potência em Alice e no relay de modo a maximizar a SEE sujeita a um limite em termos da mínima probabilidade de outage de segurança necessária. Considerando este cenário MIMO (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output) em que apenas a CSI do canal principal é conhecida por Alice, o esquema Artificial-Noise (AN) é comparado com o esquema CSI-Aided Decode-and-Forward. Por fim, considerando um cenário mais restritivo em relação à CSI, porém mais realista, em que a CSI de nenhum dos canais é conhecida, o throughput seguro é investigado em um cenário com atraso crítico, típico em comunicações machine-to-machine, no qual os usuários se comunicam com blocos de transmissão de tamanho finito. Nesta abordagem, o desempenho da comunicação direta é comparada com o protocolo cooperativo Selective Decode-and-Forward (SDF).Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilMestrado em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRBrante, Glauber Gomes de Oliveirahttp://lattes.cnpq.br/8347190422243353Souza, Richard Demohttp://lattes.cnpq.br/6825512654223870Brante, Glauber Gomes de OliveiraAlves, HirleyAbrão, TaufikRebelatto, João LuizChang, Bruno SensFarhat, Jamil de Araujo2018-08-02T15:52:00Z2018-08-02T15:52:00Z2018-06-12info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfFARHAT, Jamil de Araujo. Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. 2018. 96 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3301porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2018-08-20T21:37:24Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/3301Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2018-08-20T21:37:24Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito Cooperative secure communication schemes considering partial secrecy regimes, multiple antennas and finite blocklengths |
| title |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| spellingShingle |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito Farhat, Jamil de Araujo Energia - Consumo Sistemas de comunicação sem fio - Medidas de segurança Sistemas de transmissão de dados - Medidas de segurança Códigos corretores de erros (Teoria da informação) Rede de computador - Protocolos Análise numérica Métodos de simulação Engenharia elétrica Energy consumption Wireless communication systems - Security measures Data transmission systems - Security measures Error-correcting codes (Information theory) Computer network protocols Numerical analysis Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica |
| title_short |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| title_full |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| title_fullStr |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| title_full_unstemmed |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| title_sort |
Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito |
| author |
Farhat, Jamil de Araujo |
| author_facet |
Farhat, Jamil de Araujo |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Brante, Glauber Gomes de Oliveira http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Souza, Richard Demo http://lattes.cnpq.br/6825512654223870 Brante, Glauber Gomes de Oliveira Alves, Hirley Abrão, Taufik Rebelatto, João Luiz Chang, Bruno Sens |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Farhat, Jamil de Araujo |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
Energia - Consumo Sistemas de comunicação sem fio - Medidas de segurança Sistemas de transmissão de dados - Medidas de segurança Códigos corretores de erros (Teoria da informação) Rede de computador - Protocolos Análise numérica Métodos de simulação Engenharia elétrica Energy consumption Wireless communication systems - Security measures Data transmission systems - Security measures Error-correcting codes (Information theory) Computer network protocols Numerical analysis Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica |
| topic |
Energia - Consumo Sistemas de comunicação sem fio - Medidas de segurança Sistemas de transmissão de dados - Medidas de segurança Códigos corretores de erros (Teoria da informação) Rede de computador - Protocolos Análise numérica Métodos de simulação Engenharia elétrica Energy consumption Wireless communication systems - Security measures Data transmission systems - Security measures Error-correcting codes (Information theory) Computer network protocols Numerical analysis Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica |
| description |
The growing demand for wireless communications systems makes security an important and difficult design task. Therefore, in this thesis we approached different studies at physical layer security considering different scenarios of partial secrecy requirements, multiple antennas and finite blocklenghts. With respect to the partial secrecy regime, we evaluate the secure energy efficiency (SEE) of a cooperative network subject to partial secrecy requirements, implemented through a fractional equivocation parameter θ ϵ (0, 1] that allows partial secrecy when θ < 1. We assume that only the channel state information (CSI) of the legitimate channel is available, while the CSI with respect to the eavesdropper is unknown. Then, we propose a CSI-Aided Decode-and-Forward (DF) scheme, in which the transmitter uses the available CSI in order to choose between direct and cooperative paths. Moreover, the relay employs either Repetition Coding (CSI-RC), i.e., source and relay use the same codebook, or Parallel Coding (CSI-PC), when different codebooks are used. By resorting to the Dinkelbach algorithm, we propose a joint power allocation scheme, which also optimizes θ to maximize the SEE. Our schemes are compared with the traditional DF, Amplify-and-Forward (AF), and Cooperative Jamming (CJ). Extending the previous analysis, we also study the SEE in a cooperative scenario where all nodes are equipped with multiple antennas. Moreover, we employ secrecy rate and power allocation at Alice and at the relay in order to maximize the SEE, subjected to a constraint in terms of a minimal required secrecy outage probability. Considering this MIMO scenario in which only the CSI with respect to the legitimate nodes is available at Alice, we compare the Artificial-Noise (AN) scheme with CSI-Aided Decode-and-Forward (CSI-DF). Lastly, considering a more restrictive scenario with respect to the CSI, but more realistic, in which the legitimate transmitter has no knowledge of the instantaneous channel state information with respect to neither the legitimate receiver nor the eavesdropper, we investigate the secure throughput in a delay-critical scenario, such as in some applications of machine-to-machine communications, so that users communicate with a finite blocklength. In this approach, the performance of direct and selective decode-and-forward cooperative communication strategies are compared. |
| publishDate |
2018 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2018-08-02T15:52:00Z 2018-08-02T15:52:00Z 2018-06-12 |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| format |
doctoralThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
FARHAT, Jamil de Araujo. Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. 2018. 96 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3301 |
| identifier_str_mv |
FARHAT, Jamil de Araujo. Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. 2018. 96 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018. |
| url |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3301 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
| language |
por |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
| eu_rights_str_mv |
openAccess |
| dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
| dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
| publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) instacron:UTFPR |
| instname_str |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) |
| instacron_str |
UTFPR |
| institution |
UTFPR |
| reponame_str |
Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
| collection |
Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) |
| repository.mail.fl_str_mv |
riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br |
| _version_ |
1850498291521814528 |