無(wú)線供能協(xié)作中繼系統(tǒng)物理層安全技術(shù)研究.pdf

1、隨著未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)，人們多樣化、差異化的通信服務(wù)需求對(duì)信息安全和用戶隱私保護(hù)都提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，在未來(lái)超密集復(fù)雜異構(gòu)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，多網(wǎng)共存和網(wǎng)絡(luò)密集化部署，這使得網(wǎng)絡(luò)更加開(kāi)放，由無(wú)線信道固有的廣播特性帶來(lái)的信息泄露問(wèn)題尤為突出。另一方面，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，通信節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和學(xué)習(xí)能力不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)依賴于通信協(xié)議高層的加密技術(shù)所設(shè)計(jì)的安全機(jī)制受到嚴(yán)重沖擊，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署使得用戶間密鑰分發(fā)管理難以實(shí)施。物

2、理層安全技術(shù)作為通信網(wǎng)絡(luò)高層加密技術(shù)的重要補(bǔ)充，其可以利用無(wú)線信道固有的隨機(jī)特性實(shí)現(xiàn)信息的高安全傳輸，被公認(rèn)為是未來(lái)無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。協(xié)作中繼技術(shù)作為物理層安全技術(shù)的重要使能技術(shù)，其可擴(kuò)展通信范圍、降低信息泄露以及提高信息傳輸安全性。但協(xié)作中繼技術(shù)面臨以下問(wèn)題:首先，半雙工中繼模式帶來(lái)嚴(yán)重的頻譜效率損失。雖然全雙工技術(shù)可以提高頻譜效率，但其會(huì)引入額外的回路干擾，干擾合法信息傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性能的降低。其次，電池供電的移動(dòng)用戶可能

3、因?yàn)樽陨砟芰看鎯?chǔ)有限而不能作為中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助通信。第三，移動(dòng)終端持有者為具有社會(huì)屬性的人，人與人之間的社交關(guān)系能否指導(dǎo)協(xié)作中繼方案設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升無(wú)線通信安全性能，這一問(wèn)題仍待研究。因此，如何針對(duì)未來(lái)能量受限的協(xié)作中繼系統(tǒng)，設(shè)計(jì)高效的無(wú)線供能安全傳輸方案降低信息泄露，并利用用戶間的社交關(guān)系促使中繼協(xié)助合法用戶進(jìn)行保密通信，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息高安全傳輸是本文研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本論文面向未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)快速增長(zhǎng)的通信需求與信

4、息安全傳輸之間的主要矛盾，以降低信息泄露和最大化系統(tǒng)保密率為目標(biāo)，以全雙工技術(shù)、無(wú)線信息能量同傳、用戶社交信任度分析為基礎(chǔ)，以協(xié)作中繼技術(shù)為核心技術(shù)手段，重點(diǎn)研究面向無(wú)線供能協(xié)作中繼系統(tǒng)的物理層安全傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)。具體研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)簡(jiǎn)述如下:
　　1)發(fā)展了無(wú)線供能全雙工中繼系統(tǒng)安全傳輸方案設(shè)計(jì)理論與方法。針對(duì)能量受限協(xié)作中繼系統(tǒng)，首先基于時(shí)間切換能量收割協(xié)議，設(shè)計(jì)了新型全雙工安全傳輸機(jī)制，在提升系統(tǒng)頻譜效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了中繼

5、的無(wú)線供能。為最大化系統(tǒng)的保密率性能，對(duì)能量波束矢量、信息波束矢量和時(shí)間切換因子的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了建模，并提出了多變量交替迭代優(yōu)化算法。理論推導(dǎo)獲得了能量和信息波束形矢量的閉式表達(dá)以及時(shí)間切換因子最優(yōu)解，并從理論上證明了該算法的快速收斂性。仿真結(jié)果表明，所提迭代優(yōu)化算法可獲得趨近于最優(yōu)的保密率性能。
　　2)提出了非完美竊聽(tīng)信道狀態(tài)信息條件下無(wú)線供能中繼系統(tǒng)的安全傳輸方案設(shè)計(jì)理論。在創(chuàng)新點(diǎn)1）的基礎(chǔ)上，為抑制全雙工中繼帶來(lái)的回路

6、干擾對(duì)信息安全傳輸性能的負(fù)面影響，提出了一種新型兩時(shí)隙全雙工中繼協(xié)議。該協(xié)議不僅可充分利用中繼天線資源實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息與能量同傳，而且可利用回路干擾信號(hào)能量為中繼供能，實(shí)現(xiàn)自能量回收(S-ER，Self-Energy Recycling)。進(jìn)一步，研究了非完美竊聽(tīng)信道狀態(tài)信息對(duì)系統(tǒng)保密率性能影響，推導(dǎo)了系統(tǒng)最差保密率(WCSR，Worst-Case Secrecy Rate)解析表達(dá)式，提出了魯棒波束矢量和中繼功率分配因子設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)的

7、基于時(shí)間切換協(xié)議的中繼方案相比，所提基于S-ER的安全傳輸方案最大可帶來(lái)80％的WCSR性能增益。
　　3)提出了基于用戶社交關(guān)系感知的物理層安全傳輸方案設(shè)計(jì)方法。為有效刻畫(huà)協(xié)作節(jié)點(diǎn)社交關(guān)系對(duì)協(xié)作安全系統(tǒng)保密率性能的影響，首先建立協(xié)作用戶與信源-合法接收端通信對(duì)間的社交信任機(jī)制，推導(dǎo)了兼顧協(xié)作節(jié)點(diǎn)社交關(guān)系的系統(tǒng)期望保密率解析表達(dá)式。進(jìn)一步，提出了可感知協(xié)作節(jié)點(diǎn)社交關(guān)系信任度的協(xié)作干擾波束設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)協(xié)作中繼能量受限這一個(gè)問(wèn)題，