Secrecy capacity and secrecy outage probability in MIMOME systems

Orientador: Gustavo FraidenraichDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Neste trabalho, considera-se a transmissão de mensagem confidencial em um canal sem fio em que transmissor, receptor e escuta possuem múltiplas antenas. O trabalho divide-se em duas partes. Na primeira parte analisamos a capacidade de sigilo ergódica e a probabilidade de indisponibilidade de sigilo para os cenários em que o canal é ergódico e não ergódico respectivamente, ambos na presença de desvanecimento estacionário com distribuição Rayleigh e considerando conhecimento do estado do canal (CSI) no receptor e na escuta. No cenário ergódico, deriva-se uma nova expressão fechada para a capacidade ergódica de sistemas em que há conhecimento do estado do canal no transmissor (CSIT) do canal principal e do canal de escuta, no qual permite-se que matriz covariância varie no tempo. Também deriva-se um limite inferior para capacidade de sigilo com CSIT, no qual a matriz covariância é fixa no período de transmissão. A primeira expressão é restrita ao limite da alta relação sinal ruído (SNR), n_t antenas no transmissor, n_r antenas no receptor (n_r > n_t) e n_e=n_t antenas na escuta (arranjo n_t x n_r x n_t). A segunda expressão é restrita ao arranjo de antenas n_t x n_t x n_t e potência do ruído do canal principal e do canal de escuta iguais. No cenário não ergódico, deriva-se uma nova expressão fechada para a probabilidade de indisponibilidade de sigilo no limite da alta SNR, em um arranjo de antenas 2 nr x 2 com n_r > 2. Também calcula-se um limite superior para a probabilidade de indisponibilidade de sigilo para outros arranjos de antena. Na segunda parte, considera-se uma escuta ativa que é capaz de atacar de forma inteligente o processo de estimação de canal. Focando em sistemas de transmissão baseados na decomposição generalizada em valores singulares (GSVD), diferentes técnicas de ataque são propostas e simulações computacionais são utilizadas para avaliar a eficiência de cada uma delasAbstract: In this thesis, we consider the transmission of confidential information over a multiple-input multiple-output multiple-eavesdropper (MIMOME) wireless channel. The content is largely divided in two. In the first part we analyse the ergodic secrecy capacity and the secrecy outage probability in the ergodic and non-ergodic scenario respectively, both with stationary Rayleigh distributed fading channels and channel state information (CSI) at the receiver and eavesdropper. For the ergodic scenario we derive a new closed-form expression for the ergodic secrecy capacity with channel state information at the transmitter (CSIT) of the main and the eavesdropper channels, allowing the covariance matrix to be time-varying. A lower bound for the ergodic capacity with CSIT, in which the covariance matrix is fixed for the entire transmission period is also derived. The first expression is restricted to the high-SNR limit, with n_t transmit antennas, n_r receive antennas (n_r >= n_t) and n_e=n_t eavesdropper antennas (n_t x n_r x n_t setup). The second expression is restricted to the n_t x n_t x n_t antenna setup and equal noise power at both channels. For the non-ergodic scenario, we derive a new closed-form expression for the secrecy outage probability in the high-SNR limit, in a 2x n_r x 2 setup with n_r \ge 2. We also calculate an upper-bound for the secrecy outage probability in other antenna setups. In the second part we consider an eavesdropper which is able to attack the channel sounding process through intelligent jamming. We focus on transmission systems based on generalized singular value decomposition (GSVD). We propose and analyze, through computer simulations, the efficiency of several attack techniques that intend to disrupt the secret communication between legitimate usersMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric