Principles of Physical Layer Security in Multiuser Wireless Networks: A Survey

This paper provides a comprehensive review of the domain of physical layer security in multiuser wireless networks. The essential premise of physical-layer security is to enable the exchange of confidential messages over a wireless medium in the presence of unauthorized eavesdroppers without relying on higher-layer encryption. This can be achieved primarily in two ways: without the need for a secret key by intelligently designing transmit coding strategies, or by exploiting the wireless communication medium to develop secret keys over public channels. The survey begins with an overview of the foundations dating back to the pioneering work of Shannon and Wyner on information-theoretic security. We then describe the evolution of secure transmission strategies from point-to-point channels to multiple-antenna systems, followed by generalizations to multiuser broadcast, multiple-access, interference, and relay networks. Secret-key generation and establishment protocols based on physical layer mechanisms are subsequently covered. Approaches for secrecy based on channel coding design are then examined, along with a description of inter-disciplinary approaches based on game theory and stochastic geometry. The associated problem of physical-layer message authentication is also introduced briefly. The survey concludes with observations on potential research directions in this area.Comment: 23 pages, 10 figures, 303 refs. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1303.1609 by other authors. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 201

Transmit precoding and Bayesian detection for cognitive radio networks with limited channel state information

Field of study: Electrical & computer engineering.Dr. Dominic K. C. Ho, Dissertation Supervisor.Includes vita."May 2017."Cognitive radio (CR) represents a recent direction for enabling coexistence among heterogeneous networks. It can be a potential solution for the problem of scarce spectrum available for wireless communication systems. The study here investigates the underlay and interweave paradigms for the coexistence of CR network of secondary users (SUs) with a primary network of primary users (PUs). Under underlay mode, both networks communicates concurrently using the same resources. With interweave, SU is able to communicate as long as (some) PUs are not active. Usually, underlay or interweave employs multiple antennas at SU to use the spectral resources better and manage the interference towards the primary network. Performance of the CR network under either paradigm depends largely on the amount and quality of channel state information (CSI) available about the different communication links. In practical systems, often CSI at SU has uncertainty since it is deviated from the true one or is not known at all. This uncertainty should be accounted when designing the precoding schemes for SU or otherwise the interference impact on primary networks would violate the quality of service (QoS) requirements for PUs. This dissertation considers two cases regarding to the availability of CSI, the first one is when CSI is imperfect and the second is when CSI is completely not known. For the underlay mode, we investigate two manifolds. The first one addresses the problem of maximizing the throughput of a multiple-input multiple-output (MIMO) SU when CSI of the interference link to PU is completely unknown or partially known. We study the achievable rates for SU under two different QoS requirements for the PU: the conventional interference temperature and leakage rate metrics. When CSI is unavailable, we develop an iterative adaptation algorithm that satisfies the QoS constraint through exploiting the side-information in the primary communication network. When CSI is inaccurate, we model the uncertainty deterministically such that the uncertainty error belongs to a convex compact set defined by the Schatten norm. We design the precoder by following the worst case formulation. We further investigate the relation between the unknown and the inaccurate CSI cases when using the interference temperature metric, and reveal that the performance of the latter is not necessarily better than the former. The second manifold assumes there is uncertainty in the SU intended link for communication as well as in the interference link from SU to PU. Similar to the first manifold, we follow the deterministic modelling using Schatten norm for the uncertainty and apply the worst case philosophy. For a given precoder matrix, we find the worst uncertainty error in the set that describes the uncertainty in each link. We further develop an iterative numerical algorithm for the precoder. Simpler solutions for the precoder and the uncertainty errors are derived under some special instances of the Schatten norm and certain requirement of transmission power. For the interweave mode, we assume there is no CSI available at SU and derive a Bayesian detector for the proposed binary hypothesis problem. For the null or noise model, we propose a conjugate prior for the unknown spatial covariance matrix. For the alternative or data model, we propose a new class of improper priors for the covariance matrix. We introduce the fractional Bayes factor (FBF) approach to enhance the detection capability of the Bayes factor. The developed FBF is compared with those using the conjugate priors for both hypotheses and generalized likelihood ratio test (GLRT), and it yields significant improvement.Includes bibliographical references (pages 126-142)

Exploiting Known Interference as Green Signal Power for Downlink Beamforming Optimization

We propose a data-aided transmit beamforming scheme for the multi-user multiple-input-single-output (MISO) downlink channel. While conventional beamforming schemes aim at the minimization of the transmit power subject to suppressing interference to guarantee quality of service (QoS) constraints, here we use the knowledge of both data and channel state information (CSI) at the transmitter to exploit, rather than suppress, constructive interference. More specifically, we design a new precoding scheme for the MISO downlink that minimizes the transmit power for generic phase shift keying (PSK) modulated signals. The proposed precoder reduces the transmit power compared to conventional schemes, by adapting the QoS constraints to accommodate constructive interference as a source of useful signal power. By exploiting the power of constructively interfering symbols, the proposed scheme achieves the required QoS at lower transmit power. We extend this concept to the signal to interference plus noise ratio (SINR) balancing problem, where higher SINR values compared to the conventional SINR balancing optimization are achieved for given transmit power budgets. In addition, we derive equivalent virtual multicast formulations for both optimizations, both of which provide insights of the optimal solution and facilitate the design of a more efficient solver. Finally, we propose a robust beamforming technique to deal with imperfect CSI, that also reduces the transmit power over conventional techniques, while guaranteeing the required QoS. Our simulation and analysis show significant power savings for small scale MISO downlink channels with the proposed data-aided optimization compared to conventional beamforming optimization

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Optimal and Robust Transmit Designs for MISO Channel Secrecy by Semidefinite Programming

In recent years there has been growing interest in study of multi-antenna transmit designs for providing secure communication over the physical layer. This paper considers the scenario of an intended multi-input single-output channel overheard by multiple multi-antenna eavesdroppers. Specifically, we address the transmit covariance optimization for secrecy-rate maximization (SRM) of that scenario. The challenge of this problem is that it is a nonconvex optimization problem. This paper shows that the SRM problem can actually be solved in a convex and tractable fashion, by recasting the SRM problem as a semidefinite program (SDP). The SRM problem we solve is under the premise of perfect channel state information (CSI). This paper also deals with the imperfect CSI case. We consider a worst-case robust SRM formulation under spherical CSI uncertainties, and we develop an optimal solution to it, again via SDP. Moreover, our analysis reveals that transmit beamforming is generally the optimal transmit strategy for SRM of the considered scenario, for both the perfect and imperfect CSI cases. Simulation results are provided to illustrate the secrecy-rate performance gains of the proposed SDP solutions compared to some suboptimal transmit designs.Comment: 32 pages, 5 figures; to appear, IEEE Transactions on Signal Processing, 201

Uncoordinated space-frequency pilot design for multi-antenna wideband opportunistic communications

©2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The statistical side information of interference channels is exploited in this paper to derive a novel uncoordinated on-line pilot design strategy for opportunistic communications. Assuming a time division duplex (TDD), or frequency division duplex (FDD) with feedback, wireless network and reciprocity, we prove that the space-frequency pilot design technique in terms of minimum cross-interference to external-network users reduces to a classical minimum-norm problem. The advantages of this novel methodology are time-domain invariance to noise-subspace rotations, a maximally flat angle-frequency response, and robustness in front of frequency calibration errors. Simulation results are reported to assess the performance of the proposed strategy and the advantages of its low-resolution quantization in low signal-to- noise ratio (low-SNR) regimes.Peer ReviewedPostprint (published version

Effects of Correlation of Channel Gains on the Secrecy Capacity in the Gaussian Wiretap Channel

Secrecy capacity is one of the most important characteristic of a wireless communication channel. Therefore, the study of this characteristic wherein the system has correlated channel gains and study them for different line-of-sight (LOS) propagation scenarios is of ultimate importance. The primary objective of this thesis from the mathematical side is to determine the secrecy capacity (SC) for correlated channel gains for the main and eavesdropper channels in a Gaussian Wiretap channel as a function from main parameters (μ, Σ, ρ). f(h1, h2) is the joint distribution of the two channel gains at channel use (h1, h2), fi(hi) is the main distribution of the channel gain hi. The results are based on assumption of the Gaussian distribution of channel gains (gM, gE). The main task of estimating the secrecy capacity is reduced to the problem of solving linear partial differential equations (PDE). Different aspects of the analysis of secrecy capacity considered in this research are the Estimation of SC mathematically and numerically for correlated SISO systems and a mathematical example for MIMO systems with PDE. The variations in Secrecy Capacity are studied for Rayleigh (NLOS) distribution and Rician (LOS) distribution. Suitable scenarios are identified in which secure communication is possible with correlation of channel gains. Also, the new algorithm using PDE has a higher speed and than analog algorithms constructed on the classical statistical Monte Carlo methods. Taking into account the normality of the distribution of system parameters, namely the channel gain (gM, gE), the algorithm is constructed for systems of partial differential equations which satisfies the secrecy criterion. Advisor: H. Andrew Harm