La programmation DC et DCA pour la sécurité de la couche physique des réseaux sans fil

par Phuong Anh Nguyen

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Hoai An Lê Thi.

Le président du jury était Tao Pham Dinh.

Le jury était composé de Hoai An Lê Thi, Mounir Haddou, Viet hung Nguyen, Lyes Benyoucef, Hoai Minh Le, Adnan Yassine.

Les rapporteurs étaient Mounir Haddou, Viet hung Nguyen.


  • Résumé

    La sécurité de la couche physique consiste à permettre la transmission des données confidentielles via un réseau sans fil en présence d'utilisateurs illégitimes, sans s'appuyer sur un cryptage de couche supérieure. L'essence de la sécurité de la couche physique est de maximiser le taux de secret, qui est le taux maximal d'informations sans interception par les espions. De plus, la conception de la sécurité de la couche physique prend en compte la minimisation de la puissance de transmission. Ces deux objectifs sont souvent en conflit l'un avec l'autre. Ainsi, la recherche sur les conceptions de sécurité de la couche physique se concentre souvent sur les deux principales classes de problèmes d’optimisation : maximiser le taux de secret sous contrainte de puissance de transmission et minimiser la puissance de transmission sous contrainte de taux de secret. Ces problèmes sont non convexes, donc difficiles à résoudre. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le développement des méthodes d'optimisation pour résoudre ces deux classes de problèmes d'optimisation. Nos méthodes sont basées sur la programmation DC (Difference of Convex functions) et DCA (DC Algorithm) étant reconnues comme des outils puissants d'optimisation non convexe. Dans la première partie, nous considérons trois classes de problèmes de maximisation du taux de secret (chapitre 2, 3, 4). Le chapitre 2 étudie la transmission sécurisée des informations dans un système de relais MISO. Le relais utilise une combinaison de technique de formation de faisceau et de technique de bruit artificiel sous les modèles déterministes des canaux d'incertitude. Sans utiliser de relais, le chapitre 3 étudie le problème du transfert simultané d'information sans fil et de l’énergie dans un système sécurisé sous parfaite connaissance des canaux et imparfaite connaissance des canaux. Deux stratégies de transmission : formation de faisceaux avec bruit artificiel et sans bruit artificiel sont étudiés. Avec l'hypothèse du canal statistique des espions, chapitre 4 aborde le problème de maximisation du taux de secret sous la contrainte en probabilité dans un système SWIPT ("simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT)" en anglais) multi-utilisateur. L'approche unifiée basée sur la programmation DC et DCA est proposée pour résoudre trois classes de problèmes d'optimisation. Le problème d'optimisation du chapitre 2 est reformulé comme deux programmes DC généraux. Les schémas DCA généraux sont proposés pour résoudre ces deux programmes DC. Dans le chapitre 3, nous considérons quatre problèmes d'optimisation conformément à quatre scénarios. Nous exploitons la structure particulière des problèmes considérés de les reformuler comme programmes DC généraux. Les schémas DCA généraux correspondants sont développés pour les résoudre. Dans le chapitre 4, nous transformons d’abord le problème considéré en une forme traitable. Nous développons ensuite un algorithme alternatif pour résoudre le problème transformé. Deux programmes DC généraux sont proposés à chaque itération du schéma alternatif. Pour résoudre ces programmes DC, nous étudions une variante de DCA général, à savoir le schéma DCA−ρ. La convergence de l’algorithme proposé est rigoureusement prouvée. La deuxième partie étudie le problème de minimisation de la puissance de transmission sous les contraintes de probabilité du taux de secret et de récolte l’énergie dans le réseau SWIPT (chapitre 5). Nous reformulons le problème d’origine comme trois programmes DC généraux pour lequel nous d´développons trois schémas DCA généraux correspondants. Les résultats numériques démontrent l’efficacité des algorithmes proposés.

  • Titre traduit

    DC programming and DCA for physical layer security in wireless network


  • Résumé

    Physical layer security is to enable confidential data transmission through wireless networks in the presence of illegitimate users, without basing on higher-layer encryption. The essence of physical layer security is to maximize the secrecy rate, that is the maxi- mum rate of information without intercepted by the eavesdroppers. Besides, the design of physical layer security considers the transmit power minimization. These two objectives conflict with each other. Consequently, the research on physical layer security designs often focuses on the two main classes of optimization problems: maximizing secrecy rate under the transmit power constraint and minimizing power consumption while guaranteeing the secrecy rate constraint. These problems are nonconvex, thus, hard to solve. In this thesis, we focus on developing optimization approaches to solve these two optimization problem classes. Our methods are based on DC (Difference of Convex functions) programming and DCA (DC Algorithm) which well-known as one of the most powerful approaches in optimization. In the first part, we consider three classes of secrecy rate maximization problems (chapters 2, 3, 4). In particular, chapter 2 studies the secure information transmission in a multiple-input single-output (MISO) relay system by using joint beamforming and artificial noise strategy under the deterministic uncertainty channel models of all links. Without using a relay, chapter 3 addresses the problem of transfer wireless information and power simultaneously in MISO secure system where scenarios of perfect channel state information and deterministic uncertainty channel models are concerned. Transmit beamforming without artificial noise and that with artificial noise are investigated. Under the assumption of statistical channel state information to eavesdroppers, chapter 4 studies the probability constrained secrecy rate maximization problem in multiuser MISO simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. The unified approach based on DC programming and DCA is proposed to solve three classes of optimization problems. The optimization problem in chapter 2 is recast as two general DC programs. The general DCA schemes are proposed to solve these two DC programs. In chapter 3, we consider four optimization problems in accordance with four scenarios. Exploiting the special structures of these original optimization problems, we transform it into four general DC programs for which the corresponding general DCA based algorithms are developed. In chapter 4, we first transform the considered problem into a tractable form. We then develop an alternating scheme to solve the transformed problem. Two general DC programs are proposed in each step of the alternating scheme. For solving these DC programs, we study a variant of general DCA, namely, DCA−ρ scheme. The convergence of alternating general DCA−ρ scheme is proven. The second part studies the transmit power optimization problem under the probability constraints of secrecy rate and harvested energy in a MISO SWIPT system (chapter 5). We reformulate the original problem as three general DC programs for which the corresponding general DCA-based algorithms are investigated. Numerical results demonstrate the efficiency of the proposed algorithms.


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