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Título: Esquemas de comunicação cooperativa segura considerando regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito
Título(s) alternativo(s): Cooperative secure communication schemes considering partial secrecy regimes, multiple antennas and finite blocklengths
Autor(es): Farhat, Jamil de Araujo
Orientador(es): Brante, Glauber Gomes de Oliveira
Palavras-chave: 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
Data do documento: 12-Jun-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: 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.
Resumo: 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).
Abstract: 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.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3301
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