TAS-Based Incremental Hybrid Decode–Amplify–Forward Relaying for Physical Layer Security Enhancement

In this paper, a transmit antenna selection (TAS)- based incremental hybrid decode-amplify-forward (IHDAF) scheme is proposed to enhance physical layer security in cooperative relay networks. Specifically, TAS is adopted at the source in order to reduce the feedback overhead. In the proposed TAS-based IHDAF scheme, the network transmits signals to the destination adaptive select direction transmission mode, AF mode or DF mode depending on the capacity of the source-relay link and source-relay link. In order to fully examine the benefits of the proposed TAS-based IHDAF scheme, we first derive its secrecy outage probability (SOP) in a closed-form expression. We then conduct asymptotic analysis on the SOP, which reveals the secrecy performance floor of the proposed TAS-based IHDAF scheme when no channel state information is available at the source. Theoretical analysis and simulation results demonstrate that the proposed TAS-based IHDAF scheme outperforms the selective decode-and-forward (SDF), the incremental decodeand-forward (IDF), and the noncooperative direction transmission (DT) schemes in terms of the SOP and effective secrecy throughout, especially when the relay is close to the destination. Furthermore, the proposed TAS-based IHDAF scheme offer a good trade-off between complexity and performance compare with using all antennas at the source.ARC Discovery Projects Grant DP150103905

Near-Optimal Modulo-and-Forward Scheme for the Untrusted Relay Channel

This paper studies an untrusted relay channel, in which the destination sends artificial noise simultaneously with the source sending a message to the relay, in order to protect the source's confidential message. The traditional amplify-and-forward (AF) scheme shows poor performance in this situation because of the interference power dilemma: providing better security by using stronger artificial noise will decrease the confidential message power from the relay to the destination. To solve this problem, a modulo-and-forward (MF) operation at the relay with nested lattice encoding at the source is proposed. For this system with full channel state information at the transmitter (CSIT), theoretical analysis shows that the proposed MF scheme approaches the secrecy capacity within 1/2 bit for any channel realization, and hence achieves full generalized security degrees of freedom (G-SDoF). In contrast, the AF scheme can only achieve a small fraction of the G-SDoF. For this system without any CSIT, the total outage event, defined as either connection outage or secrecy outage, is introduced. Based on this total outage definition, analysis shows that the proposed MF scheme achieves the full generalized secure diversity gain (G-SDG) of order one. On the other hand, the AF scheme can only achieve a G-SDG of 1/2 at most

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