Abstract In this thesis we study Full-Duplex (FD) cooperative networks from different perspectives, using concepts of information theory, communication theory and applied statistics. We provide a comprehensive performance analysis of cooperative communications systems operating with FD relays. We demonstrate that FD relaying is feasible even when experiencing strong self-interference, and we show its application under different scenarios. More importantly, the results attained through this work serve as a benchmark for design as well as deployment of current and future wireless communications technologies. Our first contribution is a comprehensive overview of the state-of-the-art on FD communications, more specifically on FD relaying, and we revisit some of the main properties of cooperative schemes. Another contribution comes from an extensive analysis of outage probability, throughput and energy efficiency of FD relaying over Rayleigh fading channels. Besides the mathematical framework introduced herein, we also show that in some cases cooperative Half-Duplex (HD) schemes achieve better performance than FD relaying with self-interference. Therefore, we draw a discussion on the trade-offs between HD and FD schemes as well as between throughput and energy efficiency. Then, we investigate the performance of FD relaying protocols under general fading settings, namely Nakagami-m fading. Our findings allow a better understanding of effects of the residual self-interference and line-of-sight on a FD relaying setup. Our final contribution lies on the performance analysis of secure cooperative networks relying on information theoretical metrics to provide enhanced privacy and confidentiality to wireless networks. Thus, we provide a comprehensive mathematical framework for composite fading channels. Even though experiencing strong self-interference, we demonstrate that FD relaying is feasible also under secrecy constraints, thus perfect secrecy can be achieved. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan kaksisuuntaisia (Full-Duplex, FD) yhteistoiminnallisia verkkoja informaatioteorian, tietoliikenneteorian ja sovelletun tilastotieteen näkökulmista. Työssä suoritetaan kattava suorityskykyarviointi yhteistoiminnallisten FD-välittimien muodostamassa tietoliikenneverkossa. FD-releointi osoitetaan toimintakelpoiseksi useissa toimintaympäristöissä ja sovelluksissa jopa voimakkaan omahäiriön vallitessa. Mikä tärkeintä, työssä saavutetut tulokset muodostavat vertailukohdan sekä nykyisten että tulevien langattomien verkkoteknologioiden suunnitteluun ja toteutukseen. Aluksi esitetään perusteellinen katsaus uusimpiin FD-tiedonsiirtomenetelmiin, etenkin FD-välitykseen, sekä kerrataan yhteistoiminnallisten tekniikoiden pääpiirteet. Seuraavaksi analysoidaan laajasti FD-välitinyhteyden luotettavuutta sekä spektrinkäyttö- ja energiatehokkuutta Rayleigh-häipyvissä radiokanavissa. Matemaattisen viitekehyksen lisäksi osoitetaan myös, että joissain tapauksissa yhteistoiminnalliset vuorosuuntaiset (Half-Duplex, HD) menetelmät ovat parempia kuin FD-releointi omahäiriön vallitessa. Niinpä työssä käydään keskustelua kaupankäynnistä HD- ja FD -menetelmien kesken kuten myös spektrinkäyttö- ja energiatehokkuuden kesken. Seuraavaksi tutkitaan FD-releoinnin suorityskykyä yleistetymmässä häipymäympäristössä eli Nakagami-m -kanavassa. Saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään paremmin jäljelle jäävän omahäiriön ja näköyhteyslinkkien vuorovaikutussuhteet FD-välitinjärjestelmän suunnittelussa. Lopuksi käsitellään tietoturvattuja yhteistoiminnallisia verkkoja informaatioteoreettisin mittarein, joilla pyritään tarjoamaan langattomien verkkojen käyttäjille parempaa yksityisyyden suojaa ja luottamuksellisuutta. Tätä varten työssä esitetään perusteelliset matemaattiset puitteet yhdistettyjen häipyvien kanavien tutkimiseen. Tuloksena osoitetaan, että myös salassapitokriteerien kannalta on mahdollista käyttää voimakkaan omahäiriön kokemaa FD-releointia vahvan salauksen saavuttamiseen.

Abstract The thesis concentrates on evaluating and improving performances of various multiple-input multiple-output (MIMO) relaying scenarios that are particularly relevant to future wireless systems. A greater emphasis is placed on important practical situations, considering relay deployments, availability of channel state information (CSI), limitations of spectrum, and information secrecy. Initially, the performance of a non-coherent amplify-and-forward (AF) MIMO relaying is analyzed when the relay is deployed with the relay-to-destination channel having a line-of-sight (LoS) path. The main attention is given to analyzing the performance of orthogonal space-time block coded based non-coherent AF MIMO system. Exact expressions of statistical parameters and performance metrics are derived considering the instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) received at the destination. These performance metrics reveal that a strong LoS component in relay-destination channel always limits the performance promised by MIMO scattering environment when both nodes have multiple antennas. The thesis also considers scenarios in MIMO two-way relaying (TWR) with physical layer network coding (PNC) mapping at the relay. PNC mapping becomes complex with multiple streams being combined at the relay node. Joint precoder-decoder schemes are considered to ease this, and various studies are carried out depending on the CSI. The zero-forcing criterion is used at the nodes when perfect CSI is available. For the imperfect CSI scenario, a robust joint precoder-decoder design is considered. The precoder and decoder matrices are obtained by solving optimization problems, which are formulated to maximize sum-rate and minimize weighted mean square error (WMSE) under transmit power constraints on the nodes. Next, a precoder-decoder scheme for MIMO underlay device-to-device (D2D) communication system is investigated by considering two D2D modes; PNC based D2D and direct D2D. The joint design is based on minimizing mean square error (MSE) which is useful to mitigate interference, and to improve the performance of both D2D and cellular communications. Distributed and centralized algorithms are proposed considering bi-directional communication in both D2D and cellular communications. System performance is discussed with two transmit mode selection schemes as dynamic and static selection schemes. The results show that the PNC based D2D mode extends the coverage area of D2D communication. Finally, secure beamforming schemes for the PNC based MIMO TWR systems are investigated when multiple eavesdroppers are attempting to intercept the user information. The CSI of the user-to-eavesdropper channels is imperfect at the users. The channel estimation errors are assumed with both ellipsoidal bound and Gaussian Markov uncertainty models. Robust optimization problems are formulated considering both scenarios to design beamforming vectors at the users and relay. Numerical results suggest that the proposed algorithms converge fast and provide higher security. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään arvioimaan ja parantamaan suorituskykyä useissa moniantennitoistinjärjestelmissä, jotka ovat ajankohtaisia tulevaisuuden langattomissa verkoissa. Erityisesti työssä analysoidaan tärkeitä käytännön tilanteita, sisältäen toistimien sijoittamisen, kanavatiedon saatavuuden, rajoitetun taajuuskaistan ja tiedon salauksen. Aluksi epäkoherentin, vahvistavan ja jatkolähettävän moniantennitoistimen suorituskykyä analysoidaan tilanteessa, jossa toistin on sijoitettu siten, että kohteeseen on suora yhteys. Suorituskyvyn arvioinnin pääkohteena on ortogonaalinen tila-aika-tason lohkokoodattu epäkoherentti vahvistava ja jatkolähettävä moniantennitoistin. Työssä johdetaan tarkat lausekkeet tilastollisille parametreille ja suorituskykymittareille ottaen huomioon hetkellinen signaalikohinasuhde vastaanottimessa. Nämä suorituskykymittarit ilmaisevat, että toistimen ja kohteen välillä oleva vahva suoran yhteyden komponentti rajoittaa sitä suorituskykyä, jota moniantennijärjestelmän hajontaympäristö ennustaa. Työssä tutkitaan myös kahdensuuntaisia moniantennitoistimia, jotka käyttävät fyysisen kerroksen verkkokoodausta. Koodauksesta tulee monimutkaista, kun monia datavirtoja yhdistetään toistimessa. Tämän helpottamiseksi käytetään yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää, jota tutkitaan erilaisten kanavatietojen tapauksissa. Täydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään nollaanpakotuskriteeriä. Epätäydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään robustia yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää. Esikoodaus- ja dekoodausmatriisit saadaan ratkaisemalla optimointiongelmat. Nämä ongelmat on muodostettu maksimoimaan summadatanopeus, ja minimoimaan painotettu keskineliövirhe, kun optimointirajoitteina ovat solmujen lähetystehot. Seuraavaksi esikoodaus-dekoodausmenetelmää tutkitaan moniantennijärjestelmässä, jossa käytetään kahdentyyppistä laitteesta-laitteeseen (D2D) kommunikaatiomenetelmää: fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvaa D2D- ja suoraa D2D-kommunikaatiota. Yhteissuunnittelu perustuu keskineliövirheen minimointiin, joka on hyödyllistä, kun halutaan vähentää häiriötä ja parantaa molempien verkkojen suorituskykyä. Työssä ehdotetaan hajautettuja ja keskitettyjä algoritmeja tilanteessa, jossa käytetään kaksisuuntaista kommunikaatiota molemmissa verkoissa. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan, kun käytetään kahta eri lähetystilan valintaa, dynaamista ja staattista. Tulokset osoittavat, että fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuva D2D kasvattaa D2D-kommunikaatiojärjestelmän kantamaa. Lopuksi, turvallisia keilanmuodostustekniikoita arvioidaan fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvassa kahdensuuntaisessa moniantennitoistinjärjestelmässä, kun useat salakuuntelijat yritävät siepata käyttäjätiedon. Käyttäjillä on epäideaalinen kanavatieto heidän ja salakuuntelijoiden välisten linkkien kanavista. Kanavatiedon estimointivirheitä arvioidaan ellipsoidisella ja Gauss-Markov-epävarmuusmallilla. Robustit optimointiongelmat, joissa suunnitellaan keilanmuodostusvektorit käyttäjän ja toistimen välille, muodostetaan molemmille malleille. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit konvergoituvat nopeasti ja tarjoavat korkeamman turvallisuuden.

Abstract The worldwide success of wireless communications was originally fueled by the possibility to replace existing cables with wireless solutions. This phenomenon imposed the development of security engineering as a multidisciplinary field. Although wireless solutions can reduce installation costs and allow introducing new services, the end–users expect it to have the same level of security as they would normally have with wired solutions. Secure communications is an important part of the overall security of industrial wireless communications systems (IWCS). The aim of this thesis is to develop new security engineering methodologies for IWCS. The author develops countermeasures against confidentiality and integrity attacks and carries out a security analysis covering the protocol, electromagnetic and physical layer. In the first part of the thesis, Host Identity Protocol (HIP) is utilized to secure communication in an intra–vehicular network. Simulations and measurement campaigns are also conducted to evaluate the impact of the overhead on security in a tunnel, considering line–of–sight (LOS) and non–LOS (NLOS) scenarios. Electromagnetic analysis (EMA) is an important step in the development of safety–related systems. Today, the increasing usage of smaller integrated circuit also increases the susceptibility to electromagnetic (EM) interference. From near–field (NF) to far–field (FF) transformation, a method for the evaluation of the emissions leakage is investigated. The virtual EM (VEM) interface of the device–under–test (DUT) is studied, and it is described how an adversary can exploit it for denial of service (DoS) attacks. An effective jamming attack model is studied, and the theoretical calculations are validated with experiment–based results. Finally, focusing attention on physical layer security, two algorithms are developed. Active radio frequency fingerprinting (RFF) implements the exchange of a public key during the setup of secure communication. Afterwards, utilizing a jamming receiver in conjunction with the spread spectrum (SS) watermarking technique, the watermark–based blind physical layer security (WBPLSec) protocol is presented. The analysis and results indicate how the WBPLSec seems to be a valuable technique for deploying physical layer security by creating a secure region around the receiver. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen maailmanlaajuista suosiota kiihdytti alun perin mahdollisuus korvata tietoliikennejärjestelmissä käytetyt kaapelit langattomilla ratkaisuilla. Ilmiö lisäsi myös tarvetta kehittää alan turvatekniikkaa monialaisen tutkimuksen pohjalta. Vaikka langattomat ratkaisut merkitsevät pienempiä asennuskustannuksia ja tarjoavat mahdollisuuksia luoda uudenlaisia palveluja, järjestelmien loppukäyttäjät edellyttävät kuitenkin niiden turvallisuuden olevan vastaavalla tasolla kuin langallisissa verkoissa. Myös teollisuuden langattomien tietoliikennejärjestelmen turvallisuus riippuu pitkälti viestintäkanavien turvallisuudesta. Väitöksen tavoitteena on kehittää uusia menetelmiä, joilla teollisuuden langattomat tietoliikennejärjestelmät voitaisiin turvata. Väitöksessä kehitetään toimenpiteitä tietoliikennejärjestelmien luottamuksellisuuteen ja koskemattomuuteen kohdistuvia hyökkäyksiä vastaan ja toteutetaan turvallisuusarviointi, joka kattaa järjestelmän protokollakerroksen sekä sähkömagneettisen ja fyysisen kerroksen. Väitöksen ensimmäisessä osassa hyödynnetään HIP–protokollaa (Host Identity Protocol) liikennevälineen sisäisen tietoliikennejärjestelmän turvallisuuden varmistamisessa. Lisäksi siinä kuvataan simulaatiot ja mittaushankkeet, joiden tavoitteena on arvioida käytetyn protokollan turvallisuusvaikutuksia esteettömän (line–of–sight, LOS) ja esteellisen (non–line–of–sight, NLOS) näköyhteyden tapauksissa. Sähkömagneettinen analyysi on tärkeä vaihe turvajärjestelmien kehitysprosessissa. Järjestelmissä käytetään yhä enemmän pieniä integroituja piirejä, mikä voi myös altistaa ne sähkömagneettisille (electromagnetic, EM) häiriöille. Väitöksessä tutkitaan lähikenttä–kaukokenttä -muunnokseen perustuvan arviointimenetelmän avulla sähkömagneettisen vuotosäteilyn tasoa. Lisäksi perehdytään testattavan laitteen (device under test, DUT) virtuaaliseen EM–liitäntään ja kuvataan, miten vastaavaa liitäntää voidaan hyödyntää palvelunestohyökkäyksissä. Väitöksessä tutkitaan myös tehokasta häirintämallia ja validoidaan teoreettisten laskelmien tulokset kokeellisesti. Lopuksi väitöksessä keskitytään tietoliikennejärjestelmän fyysisen kerroksen turvallisuuteen ja kehitetään kaksi algoritmia. Aktiivisen radiotaajuisen tunnistusmenetelmän avulla voidaan vaihtaa julkisia avaimia turvallista tietoliikenneyhteyttä muodostettaessa. Lisäksi esitellään vesileimausmenetelmään perustuva fyysisen kerroksen salausmenetelmä, WBPLSec. WBPLSec luo vastaanottimen ympärille suoja–alueen, minkä ansiosta se vaikuttaa analyysin ja tutkimustulosten perusteella olevan tehokas menetelmä toteuttaa fyysisen kerroksen suojaus.