The unmanned aerial vehicles (UAVs) are also known as drones. Recently, UAVs have attracted the next generation researchers due to their flexible, dynamic, and cost-effective deployment, etc. Moreover, the UAVs have a wide range of application domains, such as rescue operation in the remote area, military surveillance, emergency application, etc. Given the UAVs are appropriately deployed, the UAVs provide continuous and reliable connectivity, on-demand, and cost-effective features to the desired destination in the wireless communication system. Thus, the UAVs can be a great choice to deploy as a mobile relay in co-existence with the base stations (BSs) on the ground to serve the 5G wireless users. In this thesis, the UAV-assisted mobile relay (UAV-MR) in the next generation wireless networks has been studied, which also considers the UAV-MR physical layer security. The proposed system also considers one ground user, one BS on the ground, and active presence of multiple eavesdroppers, situated nearby the ground user. The locations of these nodes (i.e., the ground user, the BS, and the eavesdroppers) are considered fixed on the ground. Moreover, the locations of the eavesdroppers are not precisely known to the UAV-MR. Thus, this thesis aims to maximize the achievable secrecy rate, while the BS sends the secure information to the ground user via the UAV-MR. However, the UAV-MR has some challenges to deploy in wireless networks, such as 3D deployment, robust resource allocation, secure UAV-MR to ground communication, the channel modeling, the UAV-MR flight duration, and the UAV-MR robust trajectory design, etc. Thus, this project investigates the UAV-MR assisted wireless networks, which addresses those technical challenges to guarantee efficient UAV-MR communication. Moreover, the mathematical frameworks are formulated to support the proposed model. An efficient algorithm is proposed to maximize the UAV-MR achievable secrecy rate. Finally, the simulation results show the improved performance for the UAV-MR assisted next-generation networks.

This thesis looks at new methods of achieving reliable data communication in wireless communication systems using different antenna transmission optimization methods. In particular, the problems of exploitation of MIMO communication channel diversity, secure downlink beamforming techniques, adaptive beamforming techniques, resource allocation methods, simultaneous power and information transfer and energy harvesting within the context of multi-antenna wireless systems are addressed.

Les réseaux de télécommunications sont soumis à des processus d'amélioration et d'optimisation continue. Chaque nouvelle itération apporte son lot de défis et limites. En effet, la croissance exponentielle des appareils de télécommunication, des stations de base aux équipements utilisateurs conduisent à de sérieux problèmes d'economie d'énergie. En plus des menaces à la vie privée, en particulier pour les réseaux sans fil car les canaux utilisés par les opérateurs peuvent également être utilisés par une oreille indiscrète quelconque. L'optimisation de l'utilisation du spectre est également un défi en raison du fait que le spectre disponible dans les systèmes de communication sans fil est devenu une ressource très rare en raison de la demande croissante. Les réseaux émergents, tels que les femtocells, souffrent également des défis mentionnés précédemment. Le travail de thèse actuel se concentre sur la proposition de solutions aux défis cités précédemment: l'efficacité énergétique, le partage du spectre et la sécurité. Le travail de recherche présenté dans cette thèse a porté sur trois axes principaux: Premièrement, trouver un moyen de réduire au minimum la consommation d'énergie des femtocellules dans les reseaux BWA femto/macro-cellulaire en diminuant le nombre d'événements de mobilité non désirées et l'introduction de nouveaux états de puissance pour la femtocellule. En second lieu, proposer une solution qui vise à réduire le temps de transmission prévu dans le temps de séjour de l'utilisateur secondaire (SU) dans la couverture d'une femtocellule en utilisant un algorithme basé sur le temps minimum prévu de transmission dans le temps de séjour de l'équipement utilisateur (UE). Enfin, introduire un nouveau modèle qui basé sur la sélection du meilleur relais qui maximise le taux de confidentialité et les avantages de l'augmentation du nombre de relais sous la contrainte de qualité de service à la destination. / Telecommunications networks are subject to continuous improvement and enhancement processes. Every new iteration brings its set of challenges and limitations. In fact, the exponential growth in telecommunication devices, from base stations to user equipments lead to serious energy efficiency issues. Along with the privacy threats, especially for wireless networks as the channels used by operators can also be used by any eavesdropper. Spectrum usage optimization is also a challenge due to the fact that the available spectrum in wireless communications systems has been a very rare resource because of the increasing demand. Emerging networks, such as femtocells, suffer also from the previously mentioned challenges. The current thesis work focuses on proposing several solutions to the previously cited challenges: energy efficiency, spectrum sharing and security. The research work introduced in this thesis has focused on three main axes: First, find a way to minimize the energy consumption of femtocells in macro/femto-cellular BWA networks by decreasing the number of unwanted mobility events and introducing new power states for the femtocell device. Second, propose a solution that aims to reduce the expected transmission time within the dwell time of Secondary User (SU) in the coverage of a femtocell using an algorithm based on the minimum expected transmission time within the dwell time of the User Equipment (UE) in the coverage of the femtocell. Finally, introduce a new scheme that is based on best relay selection method that maximizes the secrecy rate and benefits from increasing the number of relays under QoS constraint at the destination.

In heterogeneous dense networks where spectrum is shared, users' privacy remains one of the major challenges. On a multi-antenna relay-assisted multi-carrier interference channel, each user shares the spectral and spatial resources with all other users. When the receivers are not only interested in their own signals but also in eavesdropping other users' signals, the cross talk on the spectral and spatial channels becomes information leakage. In this paper, we propose a novel secrecy rate enhancing relay strategy that utilizes both spectral and spatial resources, termed as information leakage neutralization. To this end, the relay matrix is chosen such that the effective channel from the transmitter to the colluding eavesdropper is equal to the negative of the effective channel over the relay to the colluding eavesdropper and thus the information leakage to zero. Interestingly, the optimal relay matrix in general is not block-diagonal which encourages users' encoding over the frequency channels. We proposed two information leakage neutralization strategies, namely efficient information leakage neutralization (EFFIN) and local-optimized information leakage neutralization (LOPTIN). EFFIN provides a simple and efficient design of relay processing matrix and precoding matrices at the transmitters in the scenario of limited power and computational resources. LOPTIN, despite its higher complexity, provides a better sum secrecy rate performance by optimizing the relay processing matrix and the precoding matrices jointly. The proposed methods are shown to improve the sum secrecy rates over several state-of-the-art baseline methods.

In heterogeneous dense networks where spectrum is shared, users' privacy remains one of the major challenges. On a multi-antenna relay-assisted multi-carrier interference channel, each user shares the spectral and spatial resources with all other users. When the receivers are not only interested in their own signals but also in eavesdropping other users' signals, the cross talk on the spectral and spatial channels becomes information leakage. In this paper, we propose a novel secrecy rate enhancing relay strategy that utilizes both spectral and spatial resources, termed as information leakage neutralization. To this end, the relay matrix is chosen such that the effective channel from the transmitter to the colluding eavesdropper is equal to the negative of the effective channel over the relay to the colluding eavesdropper and thus the information leakage to zero. Interestingly, the optimal relay matrix in general is not block-diagonal which encourages users' encoding over the frequency channels. We proposed two information leakage neutralization strategies, namely efficient information leakage neutralization (EFFIN) and local-optimized information leakage neutralization (LOPTIN). EFFIN provides a simple and efficient design of relay processing matrix and precoding matrices at the transmitters in the scenario of limited power and computational resources. LOPTIN, despite its higher complexity, provides a better sum secrecy rate performance by optimizing the relay processing matrix and the precoding matrices jointly. The proposed methods are shown to improve the sum secrecy rates over several state-of-the-art baseline methods.

In heterogeneous dense networks where spectrum is shared, users privacy remains one of the major challenges. When the receivers are not only interested in their own signals but also in eavesdropping other users' signals, the cross talk becomes information leakage.We propose a novel and efficient secrecy rate enhancing relay strategy EFFIN for information leakage neutralization. The relay matrix is chosen such that the effective leakage channel (spectral and spatial) is zero. Thus, it ensures secrecy regardless of receive processing employed at eavesdroppers and does not rely on wiretaps codes to ensure secrecy, unlike other physical layer security techniques such as artificial noise. EFFIN achieves a higher sum secrecy rate over several state-of-the-art baseline methods.

In heterogeneous dense networks where spectrum is shared, users privacy remains one of the major challenges. When the receivers are not only interested in their own signals but also in eavesdropping other users' signals, the cross talk becomes information leakage.We propose a novel and efficient secrecy rate enhancing relay strategy EFFIN for information leakage neutralization. The relay matrix is chosen such that the effective leakage channel (spectral and spatial) is zero. Thus, it ensures secrecy regardless of receive processing employed at eavesdroppers and does not rely on wiretaps codes to ensure secrecy, unlike other physical layer security techniques such as artificial noise. EFFIN achieves a higher sum secrecy rate over several state-of-the-art baseline methods.

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.