Enhancing the physical layer security of wireless communication networks with wireless power transfer

Abstract

In recent years, the main focus for wireless networks has been shifted from spectral efficiency and quality of service (QoS) constraints to energy efficiency and green communication, especially in the fifth generation (5G) and sixth generation (6G) networks as well as IoT networks, to reduce the power consumption of low-power mobile devices and sensor. On the other hand, security has become more and more important in contemporary communication. In that situation, physical layer security has been considered as an effective method to enhance the information security beside the cryptography techniques that are used in upper layers.

Motivated by the above issue, in this dissertation I aim to propose strategies to integrate energy harvesting technology and physical layer security in the context of wireless relay networks. Specifically, I focus on studying the security and reliability performance of energy harvesting enabled relaying networks in the presence of eavesdroppers or wiretap channels. To do this, I investigate the performance of different energy harvesting strategies or protocols and various security techniques at physical layer, such as cooperative jamming, relay selection, etc. to recommend specific models that can improve the overall system performance. For performance analysis, the following performance factors are considered: outage probability (OP), intercept probability, secrecy capacity, secrecy outage probability (SOP). The closed-forms expressions of these performance factors are derived for each newly-proposed scheme.

On the other hand, the effect of different undesired condition, such as channel estimation error and hardware impairment, on the performance of the proposed energy harvesting schemes and security strategies at physical layer for wireless relay networks is also investigated. Furthermore, advanced communication techniques, including multi-hop communication, full-duplex communications, multiple-input multiple output (MIMO) communications with diversity techniques, and non-orthogonal multiple-access (NOMA), are also applied to enhance the system performance. In order to test and verify the mathematical analysis, a Monte Carlo simulation is set up and run for each analysis result.

V posledních letech se pozornost v bezdrátových sítích přesunula z témat limitů spektrální účinnosti a kvality služeb (QoS) na energetickou účinnost a zelenou komunikaci, zejména v sítích páté generace (5G) a šesté generace (6G), jakož i v sítích IoT, aby se snížila spotřeba energie mobilních zařízení a senzorů. Na druhé straně se v současné komunikaci klade stále větší důraz na bezpečnost, přičemž zabezpečení fyzické vrstvy se stává účinnou a perspektivní metodou, a to kromě kryptografických technik, které se používají ve vyšších vrstvách.

Motivován výše uvedeným se v této disertační práci snažím navrhnout strategie pro integraci technologie získávání energie a zabezpečení fyzické vrstvy v kontextu bezdrátových přenosových sítí. Konkrétně se zaměřuji na studium výkonnostních parametrů z pohledu bezpečnosti a spolehlivosti komunikace v relay sítích umožňujících získávání energie za přítomnosti odposlechů nebo odposlechových kanálů. Zkoumám efektivitu různých strategií nebo protokolů pro získávání energie a různých bezpečnostních technik na fyzické vrstvě, jako je kooperativní rušení či výběr relay uzlu, abych doporučil konkrétní modely, které mohou zlepšit celkovou výkonnost komunikačních systémů. Pro analýzu výkonnosti se berou v úvahu následující faktory: pravděpodobnost výpadku (OP), pravděpodobnost zachycení, kapacita utajení, pravděpodobnost výpadku utajení (SOP). Výrazy uzavřených forem těchto faktorů jsou v této dizertaci odvozeny pro každé nově navržené schéma.

Na druhé straně je také zkoumán vliv různých nežádoucích podmínek, jako je odhad chyb v kanále a vliv hardwaru na výkonnost navrhovaných schémat získávání energie a bezpečnostních strategií na fyzické vrstvě pro bezdrátové přenosové sítě. Dále jsou použity pokročilé komunikační techniky, včetně víceskokové komunikace, plně duplexní komunikace, komunikace MIMO s diverzitními technikami a neortogonálním vícenásobným přístupem NOMA. Za účelem ověření platnosti odvozených matematických vztahů je pro každý získaný výsledek nastavena a spuštěna nezávislá simulace metodou Monte Carlo.