Modern coding techniques for reliable and secure communications

Nowadays, wireless communications are involved in many applications and the security and reliability targets are increasingly growing. Hence, based on modern coding schemes, in this thesis new solutions able to achieve more and more satisfactory performance are proposed. In particular, we adopt Low Density Parity Check (LDPC) codes and Polar Codes. Due to the versatility of LDPC codes, we use this codes family for both reliability and security scopes. A wire-tap channel is characterized by an eavesdropper that tries to decode the information sent among authorized receivers. In this scenario, by following the physical layer security approach, first we investigate the eavesdropper's equivocation rate achieved through practical LDPC schemes. Then, by generalizing this model with a broadcast channel with confidential messages, we design LDPC codes with unequal error protection capabilities that improve the privacy of data. Instead, for reliability purposes, we use LDPC codes over a non-conventional satellite channel like the one affected by solar scintillation. In this context, the noise introduced by physical phenomena may lead to a low quality in the communication. Hence, by mitigating the performance degradation, in this thesis we propose coding schemes that improve the link reliability. Finally, we study communication systems based on the transmission of short blocks. In this case we use Polar codes since they are one of the most prominent codes family proposed for this scenario. However, in the short packet length regime Polar codes may have poor performance. To overcome this issue, a concatenation with a cyclic code was proposed in the literature. Concatenated Polar codes are competitive in this context and therefore they are recommended in the new generation of mobile systems (5G). Thus, we study the structure of these concatenated schemes from a distance spectrum point of view and propose some solutions able to further improve the reliability of communication.

Oggigiorno, le comunicazioni wireless sono coinvolte in molte applicazioni e gli obiettivi di sicurezza e affidabilità sono sempre più stringenti. Perciò, in questa tesi vengono proposte nuove soluzioni basate su schemi di codifica moderni in grado di conseguire prestazioni sempre più soddisfancenti. Adottiamo codici Low Density Parity Check (LDPC) e codici polari. Per la versatilità dei codici LDPC, li utilizziamo sia per scopi di affidabilità che di sicurezza. Un canale wire-tap è caratterizzato da un intercettatore che tenta di decodificare le informazioni inviate tra ricevitori autorizzati. In questo scenario, seguendo un approccio di Physical Layer Security, analizziamo il tasso di equivocazione degli intercettatori raggiunto tramite schemi LDPC pratici. Generalizzando questo modello con un canale broadcast con messaggi confidenziali, progettiamo codici LDPC con protezione non uniforme degli errori al fine di migliorare la privacy dei dati. Invece, per scopi di affidabilità, utilizziamo i codici LDPC su un canale satellitare non convenzionale come quello influenzato dalla scintillazione solare. In questo contesto, il rumore introdotto dai fenomeni fisici può portare a una scarsa qualità della comunicazione. Perciò, proponiamo schemi di codifica che migliorano l'affidabilità del collegamento. Infine, studiamo sistemi di comunicazione con trasmissione di blocchi corti. In questo caso utilizziamo i codici polari poiché sono una delle famiglie di codici più importanti in questo scenario. Tuttavia, con pacchetti corti, i codici polari possono avere scarse prestazioni. Per questo motivo in letteratura è stata proposta la loro concatenazione con un codice ciclico. I codici polari concatenati diventano competitivi in questo contesto e pertanto sono stati raccomandati per la nuova generazione di sistemi mobili (5G). Studiando lo spettro dei pesi degli schemi concatenati, proponiamo alcune soluzioni in grado di migliorare ulteriormente l'affidabilità della comunicazione.