Physical Layer Security in One-Way and Two-Way Relay Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Mohanad_Thesis_final_version.pdf - Published Version Download (885kB) | Preview

Arabic Abstract

هذه الأيام نلاحظ ان موضوع تحقيق الأمان باستخدام الطبقة الفيزيائية يحوز اهتمام كثير من الباحثين والمهندسين حيث انه يستطيع ان يمنع التنصت على المعلومات بدون استخدام تشفير الطبقات العليا. خلاصة أمان الطبقة الفيزيائية هو استخدام معلومات حالة القنوات للحد من كمية المعلومات التي ممكن ان يستقبلها المتنصت. في هذه الرسالة درسنا أمان الطبقة الفيزيائية في المرحلات (Relays) ذات الاتجاه الواحد وأيضا في المرحلات التي ترسل في اتجاهين. بالنسبة للأمان في المرحلات ذات الاتجاه الواحد قمنا أولا بتصغير قيمة الطاقة المطلوبة للمرحلات عندما يكون هناك قيود للأمان للمستقبل الشرعي و المتصنت. استطعنا ان نوجد الحل الأمثل لمتجه التوجيه (beamforming vector) حيث ان حلنا أبسط بكثير من الحل باستخدام semidifinit programming (SDP). ثم اثبتنا انه كلما زادت طاقة المرسل قلت طاقة المرحلات. ثانيا قمنا بتعظيم قيمة معدل الأمان (secrecy rate) عندما تكون الطاقة الكاملة محدودة. أوضحنا ان المشكلة هي معضلة (NP-hard) ثم حولناها إلى مسألة قابلة للحل مع بحث عن قيمة معينة ذات بعد واحد. ثم قمنا بتبسيط المسألة باستخدام ال (generalized eigenvalue) . أما بالنسبة للأمان في أنظمة المرحلات ذات الاتجاهين فإننا درسنا الأمان في حالة ان معلومة قناة المتنصت متوفرة وأيضا عندما تكون غير متوفرة. في حال توفر معلومة قناة المتنصت قمنا بتعظيم معدل مجموع الأمان (secrecy sum rate ) عندما تكون مجموع طاقة الأجهزة محدودة. هذه المسألة تم إثباتها انه مسألة معقدة لكن تم حلها بطريق قريبة من الحل الأمثل والتي تسمى إعدام الإشارة عند المتنصت (null space beamforming) والتي بدورها تم إثباتها أنها أيضا مسألة معقدة. ولذلك نحن هنا اقترحنا حلين منفصلين لهذه المشكلة: 1) إيجاد الحل الأمثل لطريقة إعدام الإشارة عند المتنصت 2) إيجاد حل شبه مثالي عند طريق تجاهل بعض أجزاء المسألة (IORQ) والتي تفوق الطريقة الأولى خاصة عندما يكون عدد المرحلات قليلة. أما اذا كانت معلومة حالة قناة المتنصت غير معروفة فإننا اعتمدنا التشويش الصناعية لتشوية الإشارة عند المتنصت. طريقة حل هذه المسألة هي شبيه بالطريقة التي تم فيها حل مسألة تقليل الطاقة في المرحلات ذات الاتجاه الواحد. حيث ان طريقتنا يمكن استخدامها لحل كل المسائل QCQP عندما لا يتجاوز عدد القيود 2 وعندما تكون مصفوفة دالة الهدف مصفوفة معرفة موجبة.

English Abstract

Nowadays, physical layer security has attracted significant attention since it can prevent eavesdropping without the help of the upper layer data encryption. The essence is to utilize the channel state information (CSI) of the channels to limit the information rate that can be attained by the unauthorized users (eavesdroppers). In this work, the physical layer security in one way relay system (OWRS) and twoway relay system (TWRS) is studied. In the OWRS, we first minimize the power of relays under information rate constraints. A novel approach is proposed to grant the optimal solution of the non-convex QCQP problem which is much simpler than the semidefinite programming (SDP) approach in terms of complexity. Then it is proved that as the maximum value of the source power increases, the total power of the relays will decrease. Second, we solve the problem of the secrecy rate maximization by looking for the optimal weight vector of the relays. It is shown that the optimization problem of the beamforming vector is a product of two Rayleigh quotients (RQ) which in general has been considered as a difficult problem. We convert the non convex problem to a convex problem with one dimension search. Then we significantly simplify the problem using the generalized eigenvalues. In TWRS, in the case of the CSI of the eavesdropper is available, we consider the problem of maximizing the secrecy sum rate under total power constraint. Even though null space beamforming reduced the problem to a product of two RQs, the problem remained hard to solve and suboptimal solutions have been proposed to solve it. Here, two approaches are proposed to maximize the secrecy sum rate: 1) the optimal null space beamforming approach, 2) suboptimal approach (Ignoring one Rayleigh quotient (IORQ)) that outperforms the null space beamforming especially when the number of relays is small. When the CSI of the eavesdropper is unknown, artificial noise is used to impair the signal to noise ratio (SNR) at the eavesdropper. The problem is formulated to reserve the maximum possible power for the artificial noise and a required quality of service (QoS) at the legitimate transceivers are achieved. The problem is formulated as QCQP, and hence the proposed approach adopted in OWRS is upgraded to solve the problem. Our proposed solution can be used for all QCQPs with positive definite objective function and two trace constraints. Simulation results demonstrate the effectiveness of our algorithms in terms of optimality and low complexity.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Mesbah, Wessam
Committee Members:	Zummo, Salam and Kousa, Maan
Depositing User:	MOHANAD OB ALI ABDULWAHID (g201106250)
Date Deposited:	05 Jan 2016 11:37
Last Modified:	01 Nov 2019 16:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139830