In this dissertation, we study the transmission schemes for physical layer security in the single-cell multicast network with wireless information and power transfer, and the bursty interference network with opportunistic user scheduling. In the multiuser scenario, one of severe problems is the inter-group/user interference, which significantly degrades the reliable transmission quality in general. For this reason, a critical issue for multiuser networks is to resolve the inter-group/user interference issue. Interestingly, in two specific multiuser networks where we want to consider, the inter-group/user interference might be beneficial in terms of secure transmissions. As described above, it is very important to deal with the inter-group/user interference properly since it has both advantage and disadvantage simultaneously for reliable and secure transmissions. In this dissertation, we propose novel secure transmission schemes to solve the challenging inter-group/user interference problem in two specific multiuser networks by utilizing the artificial noise (AN) aided transmit beamforming and the opportunistic user scheduling, respectively.
The main focus of this dissertation is to improve physical layer security, which is essential for reliable and secure transmissions. To this end, we adopt the secrecy rate criterion for physical layer security. We resolve the interference issue as well as enhance network performance by minimizing the transmit power under the secrecy rate constraint in the single-cell multicast network with wireless information and power transfer, and maximizing the ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair in the bursty interference network with opportunistic user scheduling.
Firstly, we address the AN aided transmit beamforming problem for physical layer security in a multiple-input single-output (MISO) single-cell multicast network with wireless information and power transfer. To solve the inter-group interference issue and minimize the transmit power, we derive the closed-form suboptimal beamforming based on the null-space beamforming. The suboptimal beamforming is shown to be optimal when the number of transmit antennas goes to infinity. To further improve the performance in the finite regime of the number of transmit antennas, we propose an efficient iterative algorithm based on the successive convex approximation.
Secondly, we investigate the opportunistic user scheduling problem for physical layer security in a MISO symmetric bursty interference network. To solve the inter-user interference issue, we propose a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) based opportunistic transmission scheme. Then, the ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair is mathematically analyzed. To obtain the achievable ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair, we also propose a two-level iterative algorithm based on the golden section search and the damped Newton method.
Thirdly, we consider the opportunistic user scheduling problem for physical layer security in a MISO asymmetric bursty interference network. To solve the inter-user interference issue, we propose a SINR based opportunistic transmission scheme. Then, the ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair is mathematically analyzed. Using the derived analytical expression, the achievable ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair is obtained through a proposed two-level iterative algorithm based on the interior point method and the damped Newton method. To catch more insights behind the mathematical expressions, we analyze asymptotic characteristics of the achievable ergodic secrecy rate per transmitter-receiver pair in interference limited and nose limited scenarios.
Our analytic and numerical results verify the gains of the proposed schemes compared to the conventional or benchmark schemes.
본 논문에서는 무선 정보 및 전력 전송 기능이 있는 단일 셀 멀티캐스트 네트워크와 기회주의적 사용자 스케줄링에 의해 구축 된 버스티 간섭 네트워크를 포함하는 두 가지의 다중사용자 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 전송 방법들에 대한 연구를 수행하였다. 다중사용자 시나리오에서 심각한 문제 중 하나는 일반적으로 신뢰할 수 있는 전송에 대한 품질을 크게 저하시키는 그룹/사용자 간 간섭이다. 이러한 이유로, 다중사용자 네트워크에서 중요한 문제는 그룹/사용자 간 간섭 문제를 해결하는 것이다. 흥미롭게도, 본 논문에서 고려하고자 하는 두 가지의 다중사용자 네트워크에서 그룹/사용자 간 간섭은 안전한 전송 측면에서 유익 할 수 있다. 이처럼 그룹/사용자 간 간섭은 장단점을 동시에 가지고 있기 때문에 그것을 적절하게 다루는 것은 매우 중요하다. 따라서, 본 논문에서는 인공 잡음 도움의 송신 빔 형성과 기회주의적 사용자 스케줄링을 각각 사용하여 두 가지의 다중사용자 네트워크에서 그룹/사용자 간 간섭 문제를 해결하기 위한 새로운 보안 전송 방법들을 제안하였다.
본 논문의 주요 초점은 신뢰할 수 있고 안전한 전송에 필수적인 물리 계층 보안을 향상시키는 것이다. 이를 위해 물리 계층 보안에 대한 비밀 전송량 기준을 채택하였다. 무선 정보 및 전력 전송 기능이 있는 단일 셀 멀티캐스트 네트워크에서 비밀 전송량 보장하에 송신 전력을 최소화하고, 기회주의적 사용자 스케줄링에 의해 구축 된 버스티 간섭 네트워크에서 송수신기 쌍 당 에르고딕 비밀 전송량을 최대화함으로써 네트워크 보안 성능을 향상 시킬 뿐만 아니라 간섭 문제 또한 해결하는 방식을 고려하였다.
첫번째로, 무선 정보 및 전력 전송 기능이 있는 다중입력 단일출력 단일 셀 멀티캐스트 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 인공 잡음 도움의 송신 빔 형성 문제를 다루었다. 그룹 간 간섭 문제를 해결하고 송신 전력 최소화를 위해, 빈 공간 빔 형성 방법을 기초로 한 닫힌 형태의 준 최적 빔 형성을 유도하였다. 이러한 준 최적 빔 형성은 송신 안테나의 수가 무한대로 커질 때 최적임을 보였다. 게다가, 송신 안테나의 수가 유한한 상태일 때 성능을 더욱 향상시키기 위해, 연속적인 볼록 근사법를 기반으로 한 효율적인 반복 알고리즘을 제안하였다.
두번째로, 다중입력 단일출력 대칭 버스티 간섭 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 기회주의적 사용자 스케줄링 문제를 연구하였다. 사용자 간 간섭 문제를 해결하기 위해, 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 기회주의적 전송 방법을 제안하였다. 그리고 송수신기 쌍 당 에르고딕 비밀 전송량을 수학적으로 구하였다. 송수신기 쌍 당 달성 가능한 에르고딕 비밀 전송량을 얻기 위해, 황금 분할 탐색법과 감쇠된 뉴턴 방법을 기반으로 하는 2단계 반복 알고리즘 또한 제안하였다.
세번째로, 다중입력 단일출력 비대칭 버스티 간섭 네트워크에서 물리 계층 보안을 위한 기회주의적 사용자 스케줄링 문제를 고려하였다. 사용자 간 간섭 문제를 해결하기 위해, 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 기회주의적 전송 방법을 제안하였다. 그리고 송수신기 쌍 당 에르고딕 비밀 전송량을 수학적으로 구하였다. 이를 바탕으로, 내부 점 방법과 감쇠된 뉴턴 방법을 기반으로 한 제안된 2단계 반복 알고리즘을 통해 송수신기 쌍 당 달성 가능한 에르고딕 비밀 전송량을 얻었다. 게다가, 더 많은 통창력을 얻기 위해, 간섭 및 잡음 제한 시나리오에서 송수신기 쌍 당 달성 가능한 에르고딕 비밀 전송량의 점근적 특성을 분석하였다.
분석적이고 수치적 결과들을 통해 제안된 방법들에 대한 이득을 기존 또는 벤치마크 방법들과 비교하여 검증하였다.
