Secure Satellite Communication Systems Design with Individual Secrecy Rate Constraints

In this paper, we study multibeam satellite secure communication through physical (PHY) layer security techniques, i.e., joint power control and beamforming. By first assuming that the Channel State Information (CSI) is available and the beamforming weights are fixed, a novel secure satellite system design is investigated to minimize the transmit power with individual secrecy rate constraints. An iterative algorithm is proposed to obtain an optimized power allocation strategy. Moreover, sub-optimal beamforming weights are obtained by completely eliminating the co-channel interference and nulling the eavesdroppers' signal simultaneously. In order to obtain jointly optimized power allocation and beamforming strategy in some practical cases, e.g., with certain estimation errors of the CSI, we further evaluate the impact of the eavesdropper's CSI on the secure multibeam satellite system design. The convergence of the iterative algorithm is proven under justifiable assumptions. The performance is evaluated by taking into account the impact of the number of antenna elements, number of beams, individual secrecy rate requirement, and CSI. The proposed novel secure multibeam satellite system design can achieve optimized power allocation to ensure the minimum individual secrecy rate requirement. The results show that the joint beamforming scheme is more favorable than fixed beamforming scheme, especially in the cases of a larger number of satellite antenna elements and higher secrecy rate requirement. Finally, we compare the results under the current satellite air-interface in DVB-S2 and the results under Gaussian inputs.Comment: 34 pages, 10 figures, 1 table, submitted to "Transactions on Information Forensics and Security

Διασύνδεση ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων με δορυφορικά δίκτυα

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της διασύνδεσης μεταξύ ενός Δορυφορικού Διαδραστικού Δικτύου και ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων. Η εκχώρηση της χωρητικότητας στις τελικές συνδέσεις του ευρυζωνικού δικτύου γίνεται μετά από χρονικό διάστημα 500 msec από τη στιγμή που στάλθηκε το αντίστοιχο αίτημα από το αντίστοιχο δορυφορικό τερματικό. Οι περισσότερες υπηρεσίες πραγματικού χρόνου δεν μπορούν να ανεχθούν τόσο μεγάλες καθυστερήσεις. Για το λόγο αυτό εισάγουμε την λογική της πρόβλεψης των αναγκών των συνδέσεων κατά την αίτηση της χωρητικότητας. Ο προτεινόμενος μηχανισμός διασύνδεσης αποτελείται από τρία τμήματα: το πρώτο είναι υπεύθυνο για τη διευθέτηση των αιτήσεων χωρητικότητας, το δεύτερο είναι υπεύθυνο για την εκχώρηση χωρητικότητας ανά δορυφορικό τερματικό, και το τρίτο είναι υπεύθυνο για τον διαμοιρασμό της δοσμένης χωρητικότητας στους συνδρομητές του ευρυζωνικού δικτύου. Στην συνέχεια της διατριβής μας, βελτιώνουμε και τα τρία τμήματα του προτεινόμενου μηχανισμού, ειδικά όσο αφορά κίνηση πραγματικού χρόνου που έχει μικρότερες ανοχές σε καθυστερήσεις. Χρησιμοποιούμε τον NLMS αλγόριθμο πρόβλεψης στο πρώτο τμήμα του μηχανισμού, επεκτείνουμε το δεύτερο τμήμα ώστε η κατανομή των χρονοθυρίδων να γίνεται σε MFTDMA, και, βελτιώνουμε τον χρονοπρογραμματιστή που λειτουργεί στο τρίτο τμήμα, ώστε ο διαμοιρασμός της χωρητικότητας στις συνδέσεις πραγματικού χρόνου του ευρυζωνικού δικτύου να γίνεται βάσει μετρικών αντίληψης ποιότητας.This doctoral thesis deals with the problem of interconnection between a satellite interactive network and broadband networks. The time difference between the capacity request of a satellite terminal and the capacity grant from the satellite network is at least equal to the round trip delay. To address this issue, schemes for predicting the needs of connections are used for capacity allocation purposes. An interconnection mechanism is proposed, which consists of three parts: 1) an entity at the satellite terminal responsible for capacity requests, 2) resource allocation to the satellite terminals and 3) sharing the capacity of a satellite terminal among the subscribers of the broadband network. We improve all three parts of the interconnection mechanism aiming to improve the overall performance of the system, especially for real time traffic that can tolerate less delay. Τhe NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm is chosen to be used in the first part of the proposed mechanism. We extend the second part of the mechanism for performing the slot allocation in MF-TDMA. Finally, we improve the scheduler of the third part in order to schedule traffic of real time connections of the broadband network based on Quality of Experience (QoE) metrics