Within this thesis, we investigate the possibilities of physical layer secrecy for two special system models. In detail, we study beamforming and protection strategies in the Multiple-Input Single-Output (MISO) Gaussian Wiretap Channel (WTC) and the Gaussian two-hop relay WTC with multiple antennas at transmitter and receiver. In both system models, we examine the influence of partial Channel State Information (CSI) on the link to the eavesdropper and compare the achievable secrecy rates with the case of full CSI. We show for the MISO WTC that in the fast fading scenario the Beamforming Vector (BV) can be optimized such that the ergodic secrecy rate is maximized with regard to the degree of channel knowledge. Further we show that the ergodic secrecy rate can be significantly increased by usage of Artificial Noise (AN), if applied in a smart way. This means that the degree of channel knowledge on the link to the eavesdropper influences the portion of power that is spent for AN at the transmitter as well as the direction, in which the AN signal is sent. In addition, we apply the same beamforming and protection strategies to the slow fading scenario and find that these techniques also reduce the secrecy outage probability. For the two-hop relay WTC, we introduce Information Leakage Neutralization (IN) as a new protection strategy. If applied to a system model, where the transmitter has full CSI, the instantaneous secrecy rate performs almost as well as the instantaneous capacity of the peaceful system without an eavesdropper. The IN protected scheme outperforms the AN protected approach and performs much better than any beamforming scheme without additional protection mechanism. Another positive aspect of the IN protected scheme in the case of full CSI is that conventional channel codes can be applied instead of wiretap codes. For the case of partial CSI, where the transmitter has only an outdated estimate on the channel between relay and the eavesdropper, we show that the IN protected scheme can also be applied. Here, it strongly depends on the channel realizations and the delay of the estimate, whether the IN or the AN protection scheme should be applied. / In dieser Arbeit wird das Leistungsvermögen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht anhand von zwei speziellen Systemmodellen untersucht. Im Detail werden Beamforming- und Absicherungsstrategien im gaußschen Multiple-Input Single-Output (MISO) Wiretap Channel (WTC) und dem gaußschen Two-hop Relay WTC mit mehreren Antennen am Sender und Empfänger studiert. In beiden Systemmodellen wird der Einfluss von partieller Kanalkenntnis zum Abhörer betrachtet und die so erreichbaren Sicherheitsraten mit denen verglichen, die bei voller Kanalkenntnis erreichbar sind. Für den MISO WTC kann gezeigt werden, dass für Kanäle mit schnellem Schwund der Beamforming-Vektor in Hinblick auf die ergodische Sicherheitsrate unter Berücksichtigung des Grades der Kanalkenntnis optimiert werden kann. Zudem kann durch die intelligente Verwendung von künstlichem Rauschen (Artificial Noise, AN) die ergodische Sicherheitsrate signifikant erhöht werden. Hierbei nimmt der Grad der Kanalkenntnis direkt Einfluss auf die Aufteilung der Leistung zwischen Daten- und AN-Signal am Sender sowie auch auf die Richtung, in der das AN-Signal gesendet wird. Zudem kann gezeigt werden, dass dieselben Beamforming- und Absicherungsstrategien ebenfalls die Sicherheitsausfallwahrscheinlichkeit für Kanäle mit langsamem Schwund minimieren. Im gaußschen Two-hop Relay WTC wird Information Leakage Neutralization (IN) als neuartige Absicherungsstrategie eingeführt. Diese Absicherungsstrategie erreicht nahezu dieselben instantanen Raten wie ein friedvolles System ohne Abhörer, wenn es bei voller Kanalkenntnis am Sender eingesetzt wird. Weiterhin sind durch die IN-Absicherungsstrategie höhere Raten erreichbar als durch den Einsatz von AN. Zusätzlich kann im Fall von voller Kanalkenntnis auf den Einsatz von Wiretap-Codes verzichtet werden. Auch im Fall partieller Kanalkenntnis, wo der Sender nur eine veraltete Schätzung des Kanals zwischen Relay und Abhörer besitzt, kann gezeigt werden, dass die IN-Absicherungsstrategie angewendet werden kann. Hierbei hängt es jedoch stark von den Kanalrealisierungen und dem Alter der Kanalschätzung ab, ob die IN- oder die AN-Absicherungsstrategie bessere Ergebnisse bringt und daher angewandt werden sollte.

Within this thesis, we investigate the possibilities of physical layer secrecy for two special system models. In detail, we study beamforming and protection strategies in the Multiple-Input Single-Output (MISO) Gaussian Wiretap Channel (WTC) and the Gaussian two-hop relay WTC with multiple antennas at transmitter and receiver. In both system models, we examine the influence of partial Channel State Information (CSI) on the link to the eavesdropper and compare the achievable secrecy rates with the case of full CSI. We show for the MISO WTC that in the fast fading scenario the Beamforming Vector (BV) can be optimized such that the ergodic secrecy rate is maximized with regard to the degree of channel knowledge. Further we show that the ergodic secrecy rate can be significantly increased by usage of Artificial Noise (AN), if applied in a smart way. This means that the degree of channel knowledge on the link to the eavesdropper influences the portion of power that is spent for AN at the transmitter as well as the direction, in which the AN signal is sent. In addition, we apply the same beamforming and protection strategies to the slow fading scenario and find that these techniques also reduce the secrecy outage probability. For the two-hop relay WTC, we introduce Information Leakage Neutralization (IN) as a new protection strategy. If applied to a system model, where the transmitter has full CSI, the instantaneous secrecy rate performs almost as well as the instantaneous capacity of the peaceful system without an eavesdropper. The IN protected scheme outperforms the AN protected approach and performs much better than any beamforming scheme without additional protection mechanism. Another positive aspect of the IN protected scheme in the case of full CSI is that conventional channel codes can be applied instead of wiretap codes. For the case of partial CSI, where the transmitter has only an outdated estimate on the channel between relay and the eavesdropper, we show that the IN protected scheme can also be applied. Here, it strongly depends on the channel realizations and the delay of the estimate, whether the IN or the AN protection scheme should be applied. / In dieser Arbeit wird das Leistungsvermögen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht anhand von zwei speziellen Systemmodellen untersucht. Im Detail werden Beamforming- und Absicherungsstrategien im gaußschen Multiple-Input Single-Output (MISO) Wiretap Channel (WTC) und dem gaußschen Two-hop Relay WTC mit mehreren Antennen am Sender und Empfänger studiert. In beiden Systemmodellen wird der Einfluss von partieller Kanalkenntnis zum Abhörer betrachtet und die so erreichbaren Sicherheitsraten mit denen verglichen, die bei voller Kanalkenntnis erreichbar sind. Für den MISO WTC kann gezeigt werden, dass für Kanäle mit schnellem Schwund der Beamforming-Vektor in Hinblick auf die ergodische Sicherheitsrate unter Berücksichtigung des Grades der Kanalkenntnis optimiert werden kann. Zudem kann durch die intelligente Verwendung von künstlichem Rauschen (Artificial Noise, AN) die ergodische Sicherheitsrate signifikant erhöht werden. Hierbei nimmt der Grad der Kanalkenntnis direkt Einfluss auf die Aufteilung der Leistung zwischen Daten- und AN-Signal am Sender sowie auch auf die Richtung, in der das AN-Signal gesendet wird. Zudem kann gezeigt werden, dass dieselben Beamforming- und Absicherungsstrategien ebenfalls die Sicherheitsausfallwahrscheinlichkeit für Kanäle mit langsamem Schwund minimieren. Im gaußschen Two-hop Relay WTC wird Information Leakage Neutralization (IN) als neuartige Absicherungsstrategie eingeführt. Diese Absicherungsstrategie erreicht nahezu dieselben instantanen Raten wie ein friedvolles System ohne Abhörer, wenn es bei voller Kanalkenntnis am Sender eingesetzt wird. Weiterhin sind durch die IN-Absicherungsstrategie höhere Raten erreichbar als durch den Einsatz von AN. Zusätzlich kann im Fall von voller Kanalkenntnis auf den Einsatz von Wiretap-Codes verzichtet werden. Auch im Fall partieller Kanalkenntnis, wo der Sender nur eine veraltete Schätzung des Kanals zwischen Relay und Abhörer besitzt, kann gezeigt werden, dass die IN-Absicherungsstrategie angewendet werden kann. Hierbei hängt es jedoch stark von den Kanalrealisierungen und dem Alter der Kanalschätzung ab, ob die IN- oder die AN-Absicherungsstrategie bessere Ergebnisse bringt und daher angewandt werden sollte.

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.