On the physical layer security characteristics for MIMO-SVD techniques for SC-FDE schemes

partially supported by the FCT -Fundacao para a Ciencia e Tecnologia and Instituto de Telecomunicacoes under projects UID/EEA/50008/2019. PES3N POCI-01-0145-FEDER-030629.Multi-Input, Multi-Output (MIMO) techniques are seeing widespread usage in wireless communication systems due to their large capacity gains. On the other hand, security is a concern of any wireless system, which can make schemes that implement physical layer security key in assuring secure communications. In this paper, we study the physical layer security issues of MIMO with Singular Value Decomposition (SVD) schemes, employed along with Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) techniques. More concretely. the security potential against an unintended eavesdropper is analysed, and it is shown that the higher the distance between the eavesdropper and the transmitter or receiver, the higher the secrecy rate. In addition, in a scenario where there is Line of Sight (LOS) between all users, it is shown that the secrecy rate can be even higher than in the previous scenario. Therefore, MIMO-SVD schemes combined with SC-FDE can be an efficient option for highly secure MIMO communications.publishersversionpublishe

Segurança a Nível Físico em Sistemas MIMO

Os sistemas de comunicação móveis estão em constante evolução e a sua utilização é cada vez maior. Para além disso, são sistemas do tipo broadcast, ou seja, a informação pode ser partilhada com utilizadores não autorizados. Assim sendo, torna-se prioritário garantir que haja segurança nestes sistemas. Já existem esquemas de segurança nas camadas mais superiores que dependem da encriptação de chaves, mas que com a evolução na capacidade de processamento podem não ser suficientes no futuro próximo. Nesta tese propomos a implementação de esquemas de segurança na camada física. Estes esquemas de segurança utilizam a decomposição dos símbolos enviados, ou da envolvente do sinal, em vários componentes ou sub-portadoras, permitindo manipular a fase e amplitude de uma dada constelação. No caso dos sistemas multi portadora é usada uma estrutura de transmissão baseada no QDA (Quantized Digital Amplification) que tal como o primeiro também consegue elevada eficiência energética na amplificação, mesmo com PAPRs (Peak-to-Power Ratios) elevados. Em ambos os esquemas, mediante a manipulação das fases dos símbolos ou das fases das amostras da envolvente é garantido secretismo com uma baixa complexidade. Além das vantagens já mencionadas, estes dois esquemas permitem obter uma segurança na camada física que complementa esquemas já existentes noutras camadas, sem qualquer tipo de impacto negativo no sistema de comunicação móvel.Wireless communication systems are constantly evolving as there is an increase in demand for their usage. Also, these are broadcast systems which means the information can be shared with unauthorized users. Thus, it is essential to ensure there is security in these communication systems. Already some security systems exist in the higher layers of the system, and these depend on key encryption. However, with the evolution of pro- cessing capacity, these security systems might not be enough. In this thesis, we propose the implementation of a security scheme in the physical layer. These proposed security schemes decompose either the symbols that are sent or the signal's envelope into several components and manipulate the phase and amplitude of a given constellation or envelope. Multi-carrier systems use a structure based on QDA (Quantized Digital Amplification), that also allows achieving high energy efficiency, even with high PAPRs (Peak-to-Power Ratios). In both security schemes, secrecy is assured with low complexity through the manipulation of the symbol phases or phases of the envelope samples. Furthermore, both security schemes allow security in the physical layer that can complement the existing security schemes from other layers without any kind of negative impact on the wireless communication system