Recent years have been marked by an enormous growth of wireless communication networks and an extensive use of wireless applications. In return, this phenomenal expansion induced more concerns about the privacy and the security of the users. Physical layer security is one of the most promising solutions that were proposed to enhance the security of next generation wireless systems. The fundamental idea behind this technique is to exploit the randomness and the fluctuations of the wireless channel to achieve security without conditional assumptions on the computational capabilities of the eavesdropper. In fact, while these elements have traditionally been associated with signal deterioration, physical layer security uses them to ensure the confidentiality of the users. Nevertheless, these technical virtues rely heavily on perhaps idealistic channel state information assumptions. In that regard, the aim of this thesis is to look at the physical layer security paradigm from the channel uncertainty perspective. In particular, we discuss the ergodic secrecy capacity of different wiretap channels when the transmitter is hampered by the imperfect knowledge of the channel state information (CSI). We consider two prevalent causes of uncertainty for the CSI at transmitter (CSIT); either an error of estimation occurs at the transmitter and he can only base his coding and the transmission strategies on a noisy version of the CSI, or the CSI feedback link has a limited capacity and the legitimate receivers can only inform the transmitter about the quantized CSI. We investigate both the single-user multiple-input multiple-output (MIMO) wiretap channel and the multi-user broadcast wiretap channel. In the latter scenario, we distinguish between two situations: multiple messages transmission and common message transmission. We also discuss the broadcast channel with confidential messages (BCCM) where the transmitter has one common message to be transmitted to two users and one secret message intended to only one of them. In all cases, we show that by appropriately designing the coding and the transmission schemes, a secure communication can still be achieved even with an imperfect knowledge of the CSIT.

De par la nature ouverte des communications sans-fils, les transmissions sont fortement impactées par divers facteurs limitants: l’interférence (due aux multiples utilisateurs), l’incertitude canal (due à la mobilité des utilisateurs) et la présence d'espions. En théorie de l’information, les « canaux de diffusion » sont un modèle clé des communications cellulaires sans-fils et consistent en une source qui souhaite envoyer deux messages chacun destiné à un utilisateur distinct, les canaux étant modélisés par des lois conditionnelles de probabilité. La gestion d’interférence constitue un point clé des transmissions à travers les canaux à diffusion, car l’augmentation du débit d’un utilisateur résulte inéluctablement en une augmentation de l’interférence à l’autre utilisateur, et elle consiste à fournir les débits maximaux que chacun des utilisateurs peut atteindre avec probabilité d’erreur nulle au décodage. Lorsque l’on couple l’interférence à de l’incertitude canal (lois de probabilités des canaux inconnues à la source), à des transmissions simultanées (plusieurs utilisateurs intéressés par les mêmes messages) ou encore à la présence d’espions (externe aux deux utilisateurs), les techniques existantes de gestion de l’interférence s’avèrent sous-optimales. L’objet de cette thèse a été donc été de développer des techniques de gestion de l’interférence pour les canaux de diffusion avec incertitude canal en se basant sur de nouvelles stratégies de codage, pour les canaux cognitifs à transmission multiples sous plusieurs régimes d’interférences, et enfin pour les canaux de diffusion avec espion où la vraie difficulté résidant dans les preuves d'optimalité. / Due to the open nature of wireless communications, the transmissions on such mediums are subject to many limitations: interference (due to the increasing traffic on the network), channel uncertainty ( due to users’ mobility) and security. The most accurate information theoretic model for cellular wireless communications is the Broadcast Channel that consists of a source transmitting two distinct messages to two receivers through a channel that we model by a conditional probability distribution. Interference Management is the bottleneck of coding for such channels, as increasing the rate of a message results in an increased amount of interference at the opposite receiver. It thus consists in finding the optimal tradeoff between the two messages rates while ensuring zero decoding error probability at both receivers. When interference is coupled with channel uncertainty (channel probability distribution unknown to the source) or with simultaneous transmissions (many users interested in the same message) or even to eavesdropping, the known techniques for interference management appear to be sub-optimal. The purpose then of this thesis was to develop interference mitigation techniques for Broadcast Channels with uncertainty resorting to more involved coding strategies, for the Broadcast Channels with a helper with multiple users under many regimes of interference, and last but not least, for the Wiretap Broadcast CHannel through new outer bounding techniques.

Secure communication under channel uncertainty is an important and challenging problem in physical-layer security and cryptography. In this dissertation, we take a fundamental information-theoretic view at three concrete settings and use them to shed insight into efficient secure communication techniques for different scenarios under channel uncertainty. First, a multi-input multi-output (MIMO) Gaussian broadcast channel with two receivers and two messages: a common message intended for both receivers (i.e., channel uncertainty for decoding the common message at the receivers) and a confidential message intended for one of the receivers but needing to be kept asymptotically perfectly secret from the other is considered. A matrix characterization of the secrecy capacity region is established via a channel-enhancement argument and an extremal entropy inequality previously established for characterizing the capacity region of a degraded compound MIMO Gaussian broadcast channel. Second, a multilevel security wiretap channel where there is one possible realization for the legitimate receiver channel but multiple possible realizations for the eavesdropper channel (i.e., channel uncertainty at the eavesdropper) is considered. A coding scheme is designed such that the number of secure bits delivered to the legitimate receiver depends on the actual realization of the eavesdropper channel. More specifically, when the eavesdropper channel realization is weak, all bits delivered to the legitimate receiver need to be secure. In addition, when the eavesdropper channel realization is strong, a prescribed part of the bits needs to remain secure. We call such codes security embedding codes, referring to the fact that high-security bits are now embedded into the low-security ones. We show that the key to achieving efficient security embedding is to jointly encode the low-security and high-security bits. In particular, the low-security bits can be used as (part of) the transmitter randomness to protect the high-security ones. Finally, motivated by the recent interest in building secure, robust and efficient distributed information storage systems, the problem of secure symmetrical multilevel diversity coding (S-SMDC) is considered. This is a setting where there are channel uncertainties at both the legitimate receiver and the eavesdropper. The problem of encoding individual sources is first studied. A precise characterization of the entire admissible rate region is established via a connection to the problem of secure coding over a three-layer wiretap network and utilizing some basic polyhedral structure of the admissible rate region. Building on this result, it is then shown that the simple coding strategy of separately encoding individual sources at the encoders can achieve the minimum sum rate for the general S-SMDC problem.

The thesis focuses on the privacy of communication that can be ensured by means of the physical layer, i.e., by appropriately chosen coding and resource allocation schemes. The fundamentals of physical-layer security have been already formulated in the 1970s by Wyner (1975), Csiszár and Körner (1978). But only nowadays we have the technical progress such that these ideas can find their way in current and future communication systems, which has driven the growing interest in this area of research in the last years. We analyze two physical-layer approaches that can ensure the secret transmission of private information in wireless systems in presence of an eavesdropper. One is the direct transmission of the information to the intended receiver, where the transmitter has to simultaneously ensure the reliability and the secrecy of the information. The other is a two-phase approach, where two legitimated users first agree on a common and secret key, which they use afterwards to encrypt the information before it is transmitted. In this case, the secrecy and the reliability of the transmission are managed separately in the two phases. The secrecy of the transmitted messages mainly depends on reliable information or reasonable and justifiable assumptions about the channel to the potential eavesdropper. Perfect state information about the channel to a passive eavesdropper is not a rational assumption. Thus, we introduce a deterministic model for the uncertainty about this channel, which yields a set of possible eavesdropper channels. We consider the optimization of worst-case rates in systems with multi-antenna Gaussian channels for both approaches. We study which transmit strategy can yield a maximum rate if we assume that the eavesdropper can always observe the corresponding worst-case channel that reduces the achievable rate for the secret transmission to a minimum. For both approaches, we show that the resulting max-min problem over the matrices that describe the multi-antenna system can be reduced to an equivalent problem over the eigenvalues of these matrices. We characterize the optimal resource allocation under a sum power constraint over all antennas and derive waterfilling solutions for the corresponding worst-case channel to the eavesdropper for a constraint on the sum of all channel gains. We show that all rates converge to finite limits for high signal-to-noise ratios (SNR), if we do not restrict the number of antennas for the eavesdropper. These limits are characterized by the quotients of the eigenvalues resulting from the Gramian matrices of both channels. For the low-SNR regime, we observe a rate increase that depends only on the differences of these eigenvalues for the direct-transmission approach. For the key generation approach, there exists no dependence from the eavesdropper channel in this regime. The comparison of both approaches shows that the superiority of an approach over the other mainly depends on the SNR and the quality of the eavesdropper channel. The direct-transmission approach is advantageous for low SNR and comparably bad eavesdropper channels, whereas the key generation approach benefits more from high SNR and comparably good eavesdropper channels. All results are discussed in combination with numerous illustrations. / Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Abhörsicherheit der Datenübertragung, die auf der Übertragungsschicht, also durch geeignete Codierung und Ressourcenverteilung, erreicht werden kann. Die Grundlagen der Sicherheit auf der Übertragungsschicht wurden bereits in den 1970er Jahren von Wyner (1975), Csiszár und Körner (1978) formuliert. Jedoch ermöglicht erst der heutige technische Fortschritt, dass diese Ideen in zukünftigen Kommunikationssystemen Einzug finden können. Dies hat in den letzten Jahren zu einem gestiegenen Interesse an diesem Forschungsgebiet geführt. In der Arbeit werden zwei Ansätze zur abhörsicheren Datenübertragung in Funksystemen analysiert. Dies ist zum einen die direkte Übertragung der Information zum gewünschten Empfänger, wobei der Sender gleichzeitig die Zuverlässigkeit und die Abhörsicherheit der Übertragung sicherstellen muss. Zum anderen wird ein zweistufiger Ansatz betrachtet: Die beiden Kommunikationspartner handeln zunächst einen gemeinsamen sicheren Schlüssel aus, der anschließend zur Verschlüsselung der Datenübertragung verwendet wird. Bei diesem Ansatz werden die Abhörsicherheit und die Zuverlässigkeit der Information getrennt voneinander realisiert. Die Sicherheit der Nachrichten hängt maßgeblich davon ab, inwieweit zuverlässige Informationen oder verlässliche Annahmen über den Funkkanal zum Abhörer verfügbar sind. Die Annahme perfekter Kanalkenntnis ist für einen passiven Abhörer jedoch kaum zu rechtfertigen. Daher wird hier ein deterministisches Modell für die Unsicherheit über den Kanal zum Abhörer eingeführt, was zu einer Menge möglicher Abhörkanäle führt. Die Optimierung der sogenannten Worst-Case-Rate in einem Mehrantennensystem mit Gaußschem Rauschen wird für beide Ansätze betrachtet. Es wird analysiert, mit welcher Sendestrategie die maximale Rate erreicht werden kann, wenn gleichzeitig angenommen wird, dass der Abhörer den zugehörigen Worst-Case-Kanal besitzt, welcher die Rate der abhörsicheren Kommunikation jeweils auf ein Minimum reduziert. Für beide Ansätze wird gezeigt, dass aus dem resultierenden Max-Min-Problem über die Matrizen des Mehrantennensystems ein äquivalentes Problem über die Eigenwerte der Matrizen abgeleitet werden kann. Die optimale Ressourcenverteilung für eine Summenleistungsbeschränkung über alle Sendeantennen wird charakterisiert. Für den jeweiligen Worst-Case-Kanal zum Abhörer, dessen Kanalgewinne einer Summenbeschränkung unterliegen, werden Waterfilling-Lösungen hergeleitet. Es wird gezeigt, dass für hohen Signal-Rausch-Abstand (engl. signal-to-noise ratio, SNR) alle Raten gegen endliche Grenzwerte konvergieren, wenn die Antennenzahl des Abhörers nicht beschränkt ist. Die Grenzwerte werden durch die Quotienten der Eigenwerte der Gram-Matrizen beider Kanäle bestimmt. Für den Ratenanstieg der direkten Übertragung ist bei niedrigem SNR nur die Differenz dieser Eigenwerte maßgeblich, wohingegen für den Verschlüsselungsansatz in dem Fall keine Abhängigkeit vom Kanal des Abhörers besteht. Ein Vergleich zeigt, dass das aktuelle SNR und die Qualität des Abhörkanals den einen oder anderen Ansatz begünstigen. Die direkte Übertragung ist bei niedrigem SNR und verhältnismäßig schlechten Abhörkanälen überlegen, wohingegen der Verschlüsselungsansatz von hohem SNR und vergleichsweise guten Abhörkanälen profitiert. Die Ergebnisse der Arbeit werden umfassend diskutiert und illustriert.

The thesis focuses on the privacy of communication that can be ensured by means of the physical layer, i.e., by appropriately chosen coding and resource allocation schemes. The fundamentals of physical-layer security have been already formulated in the 1970s by Wyner (1975), Csiszár and Körner (1978). But only nowadays we have the technical progress such that these ideas can find their way in current and future communication systems, which has driven the growing interest in this area of research in the last years. We analyze two physical-layer approaches that can ensure the secret transmission of private information in wireless systems in presence of an eavesdropper. One is the direct transmission of the information to the intended receiver, where the transmitter has to simultaneously ensure the reliability and the secrecy of the information. The other is a two-phase approach, where two legitimated users first agree on a common and secret key, which they use afterwards to encrypt the information before it is transmitted. In this case, the secrecy and the reliability of the transmission are managed separately in the two phases. The secrecy of the transmitted messages mainly depends on reliable information or reasonable and justifiable assumptions about the channel to the potential eavesdropper. Perfect state information about the channel to a passive eavesdropper is not a rational assumption. Thus, we introduce a deterministic model for the uncertainty about this channel, which yields a set of possible eavesdropper channels. We consider the optimization of worst-case rates in systems with multi-antenna Gaussian channels for both approaches. We study which transmit strategy can yield a maximum rate if we assume that the eavesdropper can always observe the corresponding worst-case channel that reduces the achievable rate for the secret transmission to a minimum. For both approaches, we show that the resulting max-min problem over the matrices that describe the multi-antenna system can be reduced to an equivalent problem over the eigenvalues of these matrices. We characterize the optimal resource allocation under a sum power constraint over all antennas and derive waterfilling solutions for the corresponding worst-case channel to the eavesdropper for a constraint on the sum of all channel gains. We show that all rates converge to finite limits for high signal-to-noise ratios (SNR), if we do not restrict the number of antennas for the eavesdropper. These limits are characterized by the quotients of the eigenvalues resulting from the Gramian matrices of both channels. For the low-SNR regime, we observe a rate increase that depends only on the differences of these eigenvalues for the direct-transmission approach. For the key generation approach, there exists no dependence from the eavesdropper channel in this regime. The comparison of both approaches shows that the superiority of an approach over the other mainly depends on the SNR and the quality of the eavesdropper channel. The direct-transmission approach is advantageous for low SNR and comparably bad eavesdropper channels, whereas the key generation approach benefits more from high SNR and comparably good eavesdropper channels. All results are discussed in combination with numerous illustrations. / Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Abhörsicherheit der Datenübertragung, die auf der Übertragungsschicht, also durch geeignete Codierung und Ressourcenverteilung, erreicht werden kann. Die Grundlagen der Sicherheit auf der Übertragungsschicht wurden bereits in den 1970er Jahren von Wyner (1975), Csiszár und Körner (1978) formuliert. Jedoch ermöglicht erst der heutige technische Fortschritt, dass diese Ideen in zukünftigen Kommunikationssystemen Einzug finden können. Dies hat in den letzten Jahren zu einem gestiegenen Interesse an diesem Forschungsgebiet geführt. In der Arbeit werden zwei Ansätze zur abhörsicheren Datenübertragung in Funksystemen analysiert. Dies ist zum einen die direkte Übertragung der Information zum gewünschten Empfänger, wobei der Sender gleichzeitig die Zuverlässigkeit und die Abhörsicherheit der Übertragung sicherstellen muss. Zum anderen wird ein zweistufiger Ansatz betrachtet: Die beiden Kommunikationspartner handeln zunächst einen gemeinsamen sicheren Schlüssel aus, der anschließend zur Verschlüsselung der Datenübertragung verwendet wird. Bei diesem Ansatz werden die Abhörsicherheit und die Zuverlässigkeit der Information getrennt voneinander realisiert. Die Sicherheit der Nachrichten hängt maßgeblich davon ab, inwieweit zuverlässige Informationen oder verlässliche Annahmen über den Funkkanal zum Abhörer verfügbar sind. Die Annahme perfekter Kanalkenntnis ist für einen passiven Abhörer jedoch kaum zu rechtfertigen. Daher wird hier ein deterministisches Modell für die Unsicherheit über den Kanal zum Abhörer eingeführt, was zu einer Menge möglicher Abhörkanäle führt. Die Optimierung der sogenannten Worst-Case-Rate in einem Mehrantennensystem mit Gaußschem Rauschen wird für beide Ansätze betrachtet. Es wird analysiert, mit welcher Sendestrategie die maximale Rate erreicht werden kann, wenn gleichzeitig angenommen wird, dass der Abhörer den zugehörigen Worst-Case-Kanal besitzt, welcher die Rate der abhörsicheren Kommunikation jeweils auf ein Minimum reduziert. Für beide Ansätze wird gezeigt, dass aus dem resultierenden Max-Min-Problem über die Matrizen des Mehrantennensystems ein äquivalentes Problem über die Eigenwerte der Matrizen abgeleitet werden kann. Die optimale Ressourcenverteilung für eine Summenleistungsbeschränkung über alle Sendeantennen wird charakterisiert. Für den jeweiligen Worst-Case-Kanal zum Abhörer, dessen Kanalgewinne einer Summenbeschränkung unterliegen, werden Waterfilling-Lösungen hergeleitet. Es wird gezeigt, dass für hohen Signal-Rausch-Abstand (engl. signal-to-noise ratio, SNR) alle Raten gegen endliche Grenzwerte konvergieren, wenn die Antennenzahl des Abhörers nicht beschränkt ist. Die Grenzwerte werden durch die Quotienten der Eigenwerte der Gram-Matrizen beider Kanäle bestimmt. Für den Ratenanstieg der direkten Übertragung ist bei niedrigem SNR nur die Differenz dieser Eigenwerte maßgeblich, wohingegen für den Verschlüsselungsansatz in dem Fall keine Abhängigkeit vom Kanal des Abhörers besteht. Ein Vergleich zeigt, dass das aktuelle SNR und die Qualität des Abhörkanals den einen oder anderen Ansatz begünstigen. Die direkte Übertragung ist bei niedrigem SNR und verhältnismäßig schlechten Abhörkanälen überlegen, wohingegen der Verschlüsselungsansatz von hohem SNR und vergleichsweise guten Abhörkanälen profitiert. Die Ergebnisse der Arbeit werden umfassend diskutiert und illustriert.