Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems

In this thesis, the problem of resource allocation is investigated in multiuser, multi-antenna downlink wireless systems in which spatial multiplexing is employed in the physical layer. The thesis consists of two main parts; in the first, the interest is focused on optimizing system's performan...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Καραχοντζίτης, Σωτήρης
Άλλοι συγγραφείς: Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2016
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/9032
id nemertes-10889-9032
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Resource allocation
Multiple antennas
Precoding
User selection
Spatial multiplexing
Parallel channels
Physical layer security
Secrecy rate
Quality of Service (QoS)
Ανάθεση πόρων
Πολλαπλές κεραίες
Προκωδικοποίηση
Επιλογή χρηστών
Χωρική πολυπλεξία
Παράλληλα κανάλια
Ασφάλεια φυσικού στρώματος,
Ασφαλής ρυθμός μετάδοσης
Ποιότητα υπηρεσιών
621.382
spellingShingle Resource allocation
Multiple antennas
Precoding
User selection
Spatial multiplexing
Parallel channels
Physical layer security
Secrecy rate
Quality of Service (QoS)
Ανάθεση πόρων
Πολλαπλές κεραίες
Προκωδικοποίηση
Επιλογή χρηστών
Χωρική πολυπλεξία
Παράλληλα κανάλια
Ασφάλεια φυσικού στρώματος,
Ασφαλής ρυθμός μετάδοσης
Ποιότητα υπηρεσιών
621.382
Καραχοντζίτης, Σωτήρης
Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
description In this thesis, the problem of resource allocation is investigated in multiuser, multi-antenna downlink wireless systems in which spatial multiplexing is employed in the physical layer. The thesis consists of two main parts; in the first, the interest is focused on optimizing system's performance in terms of users' transmission rate. Under this context, a low-complexity but highly performing user selection algorithm is presented for the flat-fading channel, when zero-forcing beamforming is employed at the BS and the aim is to maximize system's throughput. For the more interesting case where the transmission is performed simultaneously over a number of parallel subchannels, two fairness-aware resource allocation problems are investigated in the sense that certain QoS constraints are considered. Typically, this kind of problems fall within the NP class because of the integer nature of the involved user selection procedure. Hence, several near-optimal and heuristic solutions are proposed. In the second part of the thesis, the concept of physical layer security is integrated into the resource allocation procedure and the secrecy rate becomes the critical quantity of the considered problems. The considered setup consists of a multiuser downlink system in which a passive eavesdropper tries to wiretap the message of one or more users. First, the problem of secrecy rate balancing is investigated for a SISO downlink system in which transmission is performed over a set of parallel subchannels. Under the assumption that each subchannel is occupied exactly by one user, several optimal, near-optimal and heuristic solutions are proposed for several different problem settings. By assuming a multiantenna BS, the resource allocation problem is further enriched with spatial multiplexing within each subchannel. Thus, the thesis is completed with the investigation of two such problems in which secrecy-rate QoS constraints are also taken into consideration.
author2 Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος
author_facet Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος
Καραχοντζίτης, Σωτήρης
format Thesis
author Καραχοντζίτης, Σωτήρης
author_sort Καραχοντζίτης, Σωτήρης
title Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
title_short Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
title_full Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
title_fullStr Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
title_full_unstemmed Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
title_sort resource allocation and physical layer security in wireless communication systems
publishDate 2016
url http://hdl.handle.net/10889/9032
work_keys_str_mv AT karachontzitēssōtērēs resourceallocationandphysicallayersecurityinwirelesscommunicationsystems
AT karachontzitēssōtērēs asphaleiakaianathesēporōnphysikoustrōmatosseasyrmatasystēmataepikoinōniōn
_version_ 1771297195321982976
spelling nemertes-10889-90322022-09-05T09:41:33Z Resource allocation and physical layer security in wireless communication systems Ασφάλεια και ανάθεση πόρων φυσικού στρώματος σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών Καραχοντζίτης, Σωτήρης Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Κρικίδης, Ιωάννης Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ Αλεξίου, Αγγελική Αντωνακόπουλος, Θεόδωρος Νταγιούκλας, Αναστάσιος Ψαράκης, Εμμανουήλ Karachontzitis, Sotiris Resource allocation Multiple antennas Precoding User selection Spatial multiplexing Parallel channels Physical layer security Secrecy rate Quality of Service (QoS) Ανάθεση πόρων Πολλαπλές κεραίες Προκωδικοποίηση Επιλογή χρηστών Χωρική πολυπλεξία Παράλληλα κανάλια Ασφάλεια φυσικού στρώματος, Ασφαλής ρυθμός μετάδοσης Ποιότητα υπηρεσιών 621.382 In this thesis, the problem of resource allocation is investigated in multiuser, multi-antenna downlink wireless systems in which spatial multiplexing is employed in the physical layer. The thesis consists of two main parts; in the first, the interest is focused on optimizing system's performance in terms of users' transmission rate. Under this context, a low-complexity but highly performing user selection algorithm is presented for the flat-fading channel, when zero-forcing beamforming is employed at the BS and the aim is to maximize system's throughput. For the more interesting case where the transmission is performed simultaneously over a number of parallel subchannels, two fairness-aware resource allocation problems are investigated in the sense that certain QoS constraints are considered. Typically, this kind of problems fall within the NP class because of the integer nature of the involved user selection procedure. Hence, several near-optimal and heuristic solutions are proposed. In the second part of the thesis, the concept of physical layer security is integrated into the resource allocation procedure and the secrecy rate becomes the critical quantity of the considered problems. The considered setup consists of a multiuser downlink system in which a passive eavesdropper tries to wiretap the message of one or more users. First, the problem of secrecy rate balancing is investigated for a SISO downlink system in which transmission is performed over a set of parallel subchannels. Under the assumption that each subchannel is occupied exactly by one user, several optimal, near-optimal and heuristic solutions are proposed for several different problem settings. By assuming a multiantenna BS, the resource allocation problem is further enriched with spatial multiplexing within each subchannel. Thus, the thesis is completed with the investigation of two such problems in which secrecy-rate QoS constraints are also taken into consideration. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή (ΔΔ) μελετώνται προβλήματα κατανομής πόρων σε ασύρματα συστήματα κάτω ζεύξης που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο σταθμό βάσης, προκειμένου να επικοινωνήσουν με τους χρήστες. Η διατριβή αποτελείται από δύο κύρια μέρη: Στο πρώτο, το ενδιαφέρον εστιάζεται στη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος όσον αφορά το ρυθμό μέταδοσης των χρηστών. Η χρήση πολλών κεραιών από το σταθμό βάσης επιτρέπει τη χωρική πολύπλεξη των χρηστών, ο αριθμός των οποίων μπορεί να είναι της τάξεως των εκατοντάδων ή χιλιάδων σε ένα πραγματικό σύστημα. Κατά συνέπεια, το πρόβλημα σχεδιασμού της προκωδικοποίησης (precoding) θα πρέπει να λυθεί απο κοινού με το πρόβλημα επιλογής χρηστών (user selection). Όταν, επιπλέον, ο σταθμός βάσης χρησιμοποιεί έναν αριθμό παράλληλων διαύλων (καναλιών) κατά τη μετάδοση, το συνολικό πρόβλημα συμπεριλαμβάνει και την πολιτική εκχώρησης καναλιών στου χρήστες ή σε ομάδες χρηστών. Στο δεύτερο μέρος της ΔΔ, η έννοια της ασφάλειας στο φυσικό επίπεδο (physical layer security) ενσωματώνεται στο πρόβλημα κατανομής πόρων. Τυπικά, τα προβλήματα κατανομής πόρων διατυπώνονται ως προβλήματα ακέραιου προγραμματισμού (Integer Programs-IP). Ως εκ τούτου, η παρουσίαση ευρετικών λύσεων που συνδυάζουν υψηλή αποδοση με χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα αποκτά ιδιαίτερη σημασία. 2016-01-07T09:37:13Z 2016-01-07T09:37:13Z 2015-07-14 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9032 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf