Joint Relay Selection and Power Allocation in Large-Scale MIMO Systems with Untrusted Relays and Passive Eavesdroppers

In this paper, a joint relay selection and power allocation (JRP) scheme is proposed to enhance the physical layer security of a cooperative network, where a multiple antennas source communicates with a single-antenna destination in presence of untrusted relays and passive eavesdroppers (Eves). The objective is to protect the data confidentially while concurrently relying on the untrusted relays as potential Eves to improve both the security and reliability of the network. To realize this objective, we consider cooperative jamming performed by the destination while JRP scheme is implemented. With the aim of maximizing the instantaneous secrecy rate, we derive a new closed-form solution for the optimal power allocation and propose a simple relay selection criterion under two scenarios of non-colluding Eves (NCE) and colluding Eves (CE). For the proposed scheme, a new closed-form expression is derived for the ergodic secrecy rate (ESR) and the secrecy outage probability as security metrics, and a new closed-form expression is presented for the average symbol error rate (SER) as a reliability measure over Rayleigh fading channels. We further explicitly characterize the high signal-to-noise ratio slope and power offset of the ESR to highlight the impacts of system parameters on the ESR. In addition, we examine the diversity order of the proposed scheme to reveal the achievable secrecy performance advantage. Finally, the secrecy and reliability diversity-multiplexing tradeoff of the optimized network are provided. Numerical results highlight that the ESR performance of the proposed JRP scheme for NCE and CE cases is increased with respect to the number of untrustworthy relays.Comment: 18 pages, 10 figures, IEEE Transactions on Information Forensics and Security (In press

Performance enhancement solutions in wireless communication networks

In this dissertation thesis, we study the new relaying protocols for different wireless network systems. We analyze and evaluate an efficiency of the transmission in terms of the outage probability over Rayleigh fading channels by mathematical analyses. The theoretical analyses are verified by performing Monte Carlo simulations. First, we study the cooperative relaying in the Two-Way Decode-and-Forward (DF) and multi-relay DF scheme for a secondary system to obtain spectrum access along with a primary system. In particular, we proposed the Two-Way DF scheme with Energy Harvesting, and the Two-Way DF Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) scheme with digital network coding. Besides, we also investigate the wireless systems with multi-relay; the best relay selection is presented to optimize the effect of the proposed scheme. The transmission protocols of the proposed schemes EHAF (Energy Harvesting Amplify and Forward) and EHDF (Energy Harvesting Decode and Forward) are compared together in the same environment and in term of outage probability. Hence, with the obtained results, we conclude that the proposed schemes improve the performance of the wireless cooperative relaying systems, particularly their throughput. Second, we focus on investigating the NOMA technology and proposing the optimal solutions (protocols) to advance the data rate and to ensure the Quality of Service (QoS) for the users in the next generation of wireless communications. In this thesis, we propose a Two-Way DF NOMA scheme (called a TWNOMA protocol) in which an intermediate relay helps two source nodes to communicate with each other. Simulation and analysis results show that the proposed protocol TWNOMA is improving the data rate when comparing with a conventional Two-Way scheme using digital network coding (DNC) (called a TWDNC protocol), Two-Way scheme without using DNC (called a TWNDNC protocol) and Two-Way scheme in amplify-and-forward(AF) relay systems (called a TWANC protocol). Finally, we considered the combination of the NOMA and physical layer security (PLS) in the Underlay Cooperative Cognitive Network (UCCN). The best relay selection strategy is investigated, which uses the NOMA and considers the PLS to enhance the transmission efficiency and secrecy of the new generation wireless networks.V této dizertační práci je provedena studie nových přenosových protokolů pro různé bezdrátové síťové systémy. S využitím matematické analýzy jsme analyzovali a vyhodnotili efektivitu přenosu z hlediska pravděpodobnosti výpadku přes Rayleighův kanál. Teoretické analýzy jsou ověřeny provedenými simulacemi metodou Monte Carlo. Nejprve došlo ke studii kooperativního přenosu ve dvoucestném dekóduj-a-předej (Two-Way Decode-and-Forward–TWDF) a vícecestném DF schématu s větším počtem přenosových uzlů pro sekundární systém, kdy takto byl získán přístup ke spektru spolu s primárním systémem. Konkrétně jsme navrhli dvoucestné DF schéma se získáváním energie a dvoucestné DF neortogonální schéma s mnohonásobným přístupem (Non-orthogonal Multiple Access–NOMA) s digitálním síťovým kódováním. Kromě toho rovněž zkoumáme bezdrátové systémy s větším počtem přenosových uzlů, kde je přítomen výběr nejlepšího přenosového uzlu pro optimalizaci efektivnosti navrženého schématu. Přenosové protokoly navržených schémat EHAF (Energy Harvesting Amplify and Forward) a EHDF(Energy Harvesting Decode and Forward) jsou společně porovnány v identickém prostředí z pohledu pravděpodobnosti výpadku. Následně, na základě získaných výsledků, jsme dospěli k závěru, že navržená schémata vylepšují výkonnost bezdrátových kooperativních systémů, konkrétně jejich propustnost. Dále jsme se zaměřili na zkoumání NOMA technologie a navrhli optimální řešení (protokoly) pro urychlení datového přenosu a zajištění QoS v další generaci bezdrátových komunikací. V této práci jsme navrhli dvoucestné DF NOMA schéma (nazýváno jako TWNOMA protokol), ve kterém mezilehlý přenosový uzel napomáhá dvěma zdrojovým uzlům komunikovat mezi sebou. Výsledky simulace a analýzy ukazují, že navržený protokol TWNOMA vylepšuje dosaženou přenosovou rychlost v porovnání s konvenčním dvoucestným schématem používajícím DNC (TWDNC protokol), dvoucestným schématem bez použití DNC (TWNDNC protokol) a dvoucestným schématem v zesil-a-předej (amplify-and-forward) přenosových systémech (TWANC protokol). Nakonec jsme zvážili využití kombinace NOMA a zabezpečení fyzické vrstvy (Physical Layer Security–PLS) v podpůrné kooperativní kognitivní síti (Underlay Cooperative Cognitive Network–UCCN). Zde je zde zkoumán výběr nejlepšího přenosového uzlu, který užívá NOMA a bere v úvahu PLS pro efektivnější přenos a zabezpečení nové generace bezdrátových sítí.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Secure Two-Way Transmission via Wireless-Powered Untrusted Relay and External Jammer

In this paper, we propose a two-way secure communication scheme where two transceivers exchange confidential messages via a wireless powered untrusted amplify-and-forward (AF) relay in the presence of an external jammer. We take into account both friendly jamming (FJ) and Gaussian noise jamming (GNJ) scenarios. Based on the time switching (TS) architecture at the relay, the data transmission is done in three phases. In the first phase, both the energy-starved nodes, the untrustworthy relay and the jammer, are charged by non-information radio frequency (RF) signals from the sources. In the second phase, the two sources send their information signals and concurrently, the jammer transmits artificial noise to confuse the curious relay. Finally, the third phase is dedicated to forward a scaled version of the received signal from the relay to the sources. For the proposed secure transmission schemes, we derive new closed-form lower-bound expressions for the ergodic secrecy sum rate (ESSR) in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. We further analyze the asymptotic ESSR to determine the key parameters; the high SNR slope and the high SNR power offset of the jamming based scenarios. To highlight the performance advantage of the proposed FJ, we also examine the scenario of without jamming (WoJ). Finally, numerical examples and discussions are provided to acquire some engineering insights, and to demonstrate the impacts of different system parameters on the secrecy performance of the considered communication scenarios. The numerical results illustrate that the proposed FJ significantly outperforms the traditional one-way communication and the Constellation rotation approach, as well as our proposed benchmarks, the two-way WoJ and GNJ scenarios.Comment: 14 pages, 6 figures, Submitted to IEEE Transactions on Vehicular Technolog