Secure Beamforming for Millimeter Wave Communications

Abstract

Over the last decade, many advancements have been made in the field of wireless communications. Among the major technology enablers being explored for the fifth-generation (5G) networks at the physical layer (PHY), a great deal of attention has been focused on millimeter-wave (mmWave) communications, massive multipleinput multiple-output (MIMO) antenna systems and beamforming techniques. These enablers bring to the forefront great opportunities for enhancing the performance of 5G and beyond-5G networks, concerning throughput, spectral efficiency, energy efficiency, latency, and reliability. At the meantime, the wireless communication is prone to information leakage to the unintended nodes due to its open nature. Hence, the secure communication is becoming more critical in the wireless networks. To address this challenge, the concept of Physical Layer Security (PLS) is explored. In this thesis, we examine the statistical mmWave transmission through linear beamforming techniques for PLS based systems. We propose the secure multiuser (MU) MIMO mmWave communications by employing hybrid beamforming at the base stations (BS), legitimate users and eavesdroppers. Using a 3 Dimensional mmWave channel model for each node, we employ the artificial noise (AN) beamforming to jam the channels of eavesdroppers and to enhance the secrecy capacity of the overall communication system. We investigate the secrecy performance on different scenarios including the single cell and multicell mmWave MU-MIMO downlink communications and reveal the key points directly related to the system security.

Son on yılda kablosuz iletişim alanında birçok gelişme sağlanmıştır. Fiziksel katmandaki beşinci nesil (5N) ağlar için araştırılan önemli teknoloji sağlayıcıları arasında, milimetre dalga iletişimine, çok girişli çok çıkışlı (ÇGÇÇ) çok sayıdaki anten sistemlerine ve ışın hüzmelendirme tekniklerine büyük bir ilgi gösterilmektedir. 5N'ye yön veren bu teknolojiler, spektral verimlilik, enerji verimliliği, gecikme ve güvenilirlik açısından 5N ve 5N'nin ötesindeki ağların performansını artırmak için büyük fırsatlara sahiptir. Aynı zamanda kablosuz iletişim, açık doğası nedeniyle gizli dinleyicilere bilgi sızıntısına eğilimlidir. Bu nedenle, kablosuz ağlarda güvenli iletişim daha kritik hale gelmektedir. Bu sorunu çözmek için, Fiziksel Katman Güvenliği (FKG) kavramı araştırılmaktadır. Bu tezde FKG tabanlı sistemler için doğrusal ışın şekillendirme teknikleri ile istatistiksel milimetre dalga iletimini inceliyoruz. Baz istasyonunda, meşru kullanıcılarda ve gizli dinleyicilerde hibrid ışın hüzmelendirme kullanarak güvenli çok kullanıcılı ÇGÇÇ milimetre dalga iletişimlerini öneriyoruz. Her bir gönderici ve alıcı çifti için 3 boyutlu milimetre dalga kanal modeli kullanarak, gizli dinleyicilerin kanallarını bastırmak ve genel iletişim sisteminin gizlilik kapasitesini arttırmak için yapay gürültü ışın hüzmelendirme kullanıyoruz. Tek hücreli ve çok hücreli milimetre dalga ÇGÇÇ uydu-yer hattı iletişimi de dahil olmak üzere farklı senaryolardaki gizlilik performansını araştırıyoruz ve doğrudan sistem güvenliği ile ilgili kilit noktaları ortaya çıkarıyoruz.