The impact of finite-alphabet input on the secrecy-achievable rates for broadcast channel with confidential message

International audienceThis paper investigates the maximization of the secrecyachievable rate region for the Gaussian broadcast channel with confidential message (BCCM) using finite input constellations. The maximization is done jointly over symbol positions and their joint probabilities. The secrecy-achievable rate regions are given for various broadcast strategies which differ in their complexity of implementation. We compare these strategies in terms of improvement in achievable rates and we study the impact of finite input alphabet on the secrecyachievable rates. It is shown that finite alphabet constraints may change well known results holding in the Gaussian case

Power-Imbalanced Low-Density Signatures (LDS) From Eisenstein Numbers

As a special case of sparse code multiple access (SCMA), low-density signatures based code-division multiple access (LDS-CDMA) was widely believed to have worse error rate performance compared to SCMA. With the aid of Eisenstein numbers, we present a novel class of LDS which can achieve error rate performances comparable to that of SCMA in Rayleigh fading channels and better performances in Gaussian channels. This is achieved by designing power-imbalanced LDS such that variation of user powers can be seen both in every chip window and the entire sequence window. As LDS-CDMA is more flexible in terms of its backwards compatibility, our proposed LDS are a promising sequence candidate for dynamic machine-type networks serving a wide range of communication devices

Rate Adaptation for Incremental Redundancy Secure HARQ

International audienceThis paper studies secure communication based on incremental redundancy (INR) secure hybrid automatic retrans-mission request (HARQ) protocol over block-fading wiretap channels. The transmitter has no instantaneous channel state information (CSI) available from either main channel or the eavesdropper channel, hence the coding rates cannot be adapted to instantaneous channel conditions. We investigate the outage performance for two schemes of INR secure HARQ protocols: case 1) when there exists two reliable multi-bit feedback channels from both legitimate receiver and eavesdropper to the transmitter carrying a function of outdated CSI, case 2) when there is a multi-bit feedback channel only from legitimate receiver. In both cases, we demonstrate that using the information carried via multi-bit feedback channels, the transmitter can adapt the coding rates in order to achieve a better secrecy throughput using a smaller number of transmissions comparing to the ACK/NACK feedback channel model. For some parameters, our rate adaptation protocol achieves a strictly positive secrecy throughput whereas it is equal to zero for the protocol with ACK/NACK feedback. We show that for some set of parameters, the loss of secrecy throughput between case 1 and case 2 is very small compared to the gain provided by both protocols

Low-Complexity Expectation Propagation Detection for Uplink MIMO-SCMA Systems

We consider uplink sparse code multiple access (SCMA) systems associated with multiple input multiple output (MIMO), where the transmitters and the receiver are equipped with multiple antennas, for enhanced reliability (diversity gain) or improved data rate (multiplexing gain). For each diversity or multiplexing based MIMO scheme combined with SCMA, we develop low-complexity iterative detection algorithms based on the message passing algorithm (MPA) and the expectation propagation algorithm (EPA). We show that the MIMO-SCMA under EPA enjoys the salient advantage of linear complexity (in comparison to the MPA counterpart with exponential complexity) as well as enhanced error rate performances due to the MIMO transmission. We also show that the performance of EPA depends on the codebook size and the number of antennas

Schémas pratiques pour la diffusion (sécurisée) sur les canaux sans fils

Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages".In this thesis, we aim to study broadcast channels with practical transmission constraints. First, we study the impact of finite input alphabet constraint on the achievable rates for the Gaussian broadcast channel with two users. We consider two models of broadcast channels, when there is in addition of a common message for two users, (i) a private message for one of them without secrecy constraint (ii) a confidential message for one of them which should be totally hidden from the other user. We present several broadcast strategies distinguished by their complexity of implementation. More precisely, we study achievable rate regions using time sharing, superposition modulation and superposition coding. For superposition modulation and superposition coding strategies, maximal achievable rate regions are obtained by maximizing over both symbol positions in the constellation and the joint probability distribution. We study the tradeoff between the complexity of implementation of the transmission strategies and their efficiency in terms of gains in achievable rates. We study also the impact of the secrecy constraint on communication by comparing the achievable rates with and without this constraint. Finally, we study the system performance using HARQ schemes for the block-fading wiretap channel when the transmitter has no instantaneous channel state information but knows channel statistics. We consider an adaptive-rate scheme for the secure communication by using multilevel feedback channels to change sub-codeword lengths at each retransmission, in order to maximize the secrecy throughput under outage probabilities constraints.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

On the performance of multi-packet HARQ protocols in NOMA systems

In this paper, we investigate the throughput performance of single-packet and multi-packet hybrid-automatic repeat request (HARQ) with blanking for downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. While conventional single-packet HARQ achieves high throughput at the expense of high latency, multi-packet HARQ, where several data packets are sent in the same channel block, can achieve high throughput with low latency. Previous works have shown that multi-packet HARQ outperforms single-packet HARQ in orthogonal multiple access (OMA) systems, especially in the moderate to high signal-to-noise ratio regime. This work amalgamates multi-packet HARQ with NOMA to achieve higher throughput than the conventional single-packet HARQ and OMA, which has been adopted in the legacy mobile networks. We conduct theoretical analysis for the throughput per user and also investigate the optimization of the power and rate allocations of the packets, in order to maximize the weighted-sum throughput. It is demonstrated that the gain of multi-packet HARQ over the single-packet HARQ in NOMA systems is reduced compared to that obtained in OMA systems due to inter-user interference. It is also shown that NOMA-HARQ cannot achieve any throughput gain with respect to OMA-HARQ when the error propagation rate of the NOMA detector is above a certain threshold

An Error Rate Comparison of Power Domain Non-orthogonal Multiple Access and Sparse Code Multiple Access

Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) has been envisioned as one of the key enabling techniques to fulfill the requirements of future wireless networks. The primary benefit of NOMA is higher spectrum efficiency compared to Orthogonal Multiple Access (OMA). This paper presents an error rate comparison of two distinct NOMA schemes, i.e., power domain NOMA (PD-NOMA) and Sparse Code Multiple Access (SCMA). In a typical PD-NOMA system, successive interference cancellation (SIC) is utilized at the receiver, which however may lead to error propagation. In comparison, message passing decoding is employed in SCMA. To attain the best error rate performance of PD-NOMA, we optimize the power allocation with the aid of pairwise error probability and then carry out the decoding using generalized sphere decoder (GSD). Our extensive simulation results show that SCMA system with “5×10” setting (i.e., ten users communicate over five subcarriers, each active over two subcarriers) achieves better uncoded BER and coded BER performance than both typical “1×2” and “2×4” PD-NOMA systems in uplink Rayleigh fading channel. Finally, the impacts of channel estimation error on SCMA , SIC and GSD based PD-NOMA and the complexity of multiuser detection schemes are also discussed

(Secure) Broadcasting over wireless channels practical schemes

Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages".In this thesis, we aim to study broadcast channels with practical transmission constraints. First, we study the impact of finite input alphabet constraint on the achievable rates for the Gaussian broadcast channel with two users. We consider two models of broadcast channels, when there is in addition of a common message for two users, (i) a private message for one of them without secrecy constraint (ii) a confidential message for one of them which should be totally hidden from the other user. We present several broadcast strategies distinguished by their complexity of implementation. More precisely, we study achievable rate regions using time sharing, superposition modulation and superposition coding. For superposition modulation and superposition coding strategies, maximal achievable rate regions are obtained by maximizing over both symbol positions in the constellation and the joint probability distribution. We study the tradeoff between the complexity of implementation of the transmission strategies and their efficiency in terms of gains in achievable rates. We study also the impact of the secrecy constraint on communication by comparing the achievable rates with and without this constraint. Finally, we study the system performance using HARQ schemes for the block-fading wiretap channel when the transmitter has no instantaneous channel state information but knows channel statistics. We consider an adaptive-rate scheme for the secure communication by using multilevel feedback channels to change sub-codeword lengths at each retransmission, in order to maximize the secrecy throughput under outage probabilities constraints

Schémas pratiques pour la diffusion (sécurisée) sur les canaux sans fils

In this thesis, we aim to study broadcast channels with practical transmission constraints. First, we study the impact of finite input alphabet constraint on the achievable rates for the Gaussian broadcast channel with two users. We consider two models of broadcast channels, when there is in addition of a common message for two users, (i) a private message for one of them without secrecy constraint (ii) a confidential message for one of them which should be totally hidden from the other user. We present several broadcast strategies distinguished by their complexity of implementation. More precisely, we study achievable rate regions using time sharing, superposition modulation and superposition coding. For superposition modulation and superposition coding strategies, maximal achievable rate regions are obtained by maximizing over both symbol positions in the constellation and the joint probability distribution. We study the tradeoff between the complexity of implementation of the transmission strategies and their efficiency in terms of gains in achievable rates. We study also the impact of the secrecy constraint on communication by comparing the achievable rates with and without this constraint. Finally, we study the system performance using HARQ schemes for the block-fading wiretap channel when the transmitter has no instantaneous channel state information but knows channel statistics. We consider an adaptive-rate scheme for the secure communication by using multilevel feedback channels to change sub-codeword lengths at each retransmission, in order to maximize the secrecy throughput under outage probabilities constraints.Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'étude des canaux de diffusion avec des contraintes de transmission pratiques. Tout d'abord, on a étudié l'impact de la contrainte pratique de l'utilisation d'un alphabet fini à l'entrée du canal de diffusion Gaussien avec deux utilisateurs. Deux modèles de canaux de diffusion sont considérés lorsqu'il y a, en plus d'un message commun pour les deux utilisateurs, (i) un message privé pour l'un des deux utilisateurs sans contrainte de sécurité (ii) un message confidentiel pour l'un des deux utilisateurs qui doit être totalement caché de l'autre utilisateur. On a présenté plusieurs stratégies de diffusion distinguées par leur complexité d'implémentation. Plus précisément, on a étudié les régions des débits atteignables en utilisant le partage de temps, la superposition de modulation et le codage par superposition. Pour la superposition de modulation et le cas général du codage par superposition, les régions des débits atteignables maximales sont obtenues en maximisant par rapport aux positions des symboles dans la constellation et la distribution de probabilité jointe. On a étudié le compromis entre la complexité d'implémentation des stratégies de transmission et leurs efficacités en termes de gains en débits atteignables. On a étudié aussi l'impact de la contrainte de sécurité sur la communication en comparant les débits atteignables avec et sans cette contrainte. Enfin, on a étudié les performances du système avec des schémas d'accusés de réception hybrides (HARQ) pour un canal à écoute à évanouissement par blocs lorsque l'émetteur n'a pas une information parfaite sur l'état instantané du canal mais connait seulement les statistiques. On a considéré un schéma adaptatif pour la communication sécurisée en utilisant des canaux de retour à niveaux multiples vers l'émetteur pour changer la longueur des sous mots de code à chaque retransmission afin que le débit utile secret soit maximisé sous des contraintes d'"outages"