無線供能協(xié)作中繼系統(tǒng)物理層安全技術研究.pdf

1、隨著未來移動數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長，人們多樣化、差異化的通信服務需求對信息安全和用戶隱私保護都提出了更為嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，在未來超密集復雜異構的新型網絡架構下，多網共存和網絡密集化部署，這使得網絡更加開放，由無線信道固有的廣播特性帶來的信息泄露問題尤為突出。另一方面，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，通信節(jié)點計算能力和學習能力不斷增強，傳統(tǒng)依賴于通信協(xié)議高層的加密技術所設計的安全機制受到嚴重沖擊，超密集異構網絡部署使得用戶間密鑰分發(fā)管理難以實施。物

2、理層安全技術作為通信網絡高層加密技術的重要補充，其可以利用無線信道固有的隨機特性實現(xiàn)信息的高安全傳輸，被公認為是未來無線通信的關鍵技術之一。協(xié)作中繼技術作為物理層安全技術的重要使能技術，其可擴展通信范圍、降低信息泄露以及提高信息傳輸安全性。但協(xié)作中繼技術面臨以下問題:首先，半雙工中繼模式帶來嚴重的頻譜效率損失。雖然全雙工技術可以提高頻譜效率，但其會引入額外的回路干擾，干擾合法信息傳輸，導致系統(tǒng)安全性能的降低。其次，電池供電的移動用戶可能

3、因為自身能量存儲有限而不能作為中繼節(jié)點協(xié)助通信。第三，移動終端持有者為具有社會屬性的人，人與人之間的社交關系能否指導協(xié)作中繼方案設計，以進一步提升無線通信安全性能，這一問題仍待研究。因此，如何針對未來能量受限的協(xié)作中繼系統(tǒng)，設計高效的無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系促使中繼協(xié)助合法用戶進行保密通信，以實現(xiàn)無線信息高安全傳輸是本文研究的關鍵問題。
　　本論文面向未來無線通信發(fā)展趨勢，針對快速增長的通信需求與信

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，以全雙工技術、無線信息能量同傳、用戶社交信任度分析為基礎，以協(xié)作中繼技術為核心技術手段，重點研究面向無線供能協(xié)作中繼系統(tǒng)的物理層安全傳輸理論與關鍵技術。具體研究內容與創(chuàng)新點簡述如下:
　　1)發(fā)展了無線供能全雙工中繼系統(tǒng)安全傳輸方案設計理論與方法。針對能量受限協(xié)作中繼系統(tǒng)，首先基于時間切換能量收割協(xié)議，設計了新型全雙工安全傳輸機制，在提升系統(tǒng)頻譜效率的同時實現(xiàn)了中繼

5、的無線供能。為最大化系統(tǒng)的保密率性能，對能量波束矢量、信息波束矢量和時間切換因子的聯(lián)合優(yōu)化問題進行了建模，并提出了多變量交替迭代優(yōu)化算法。理論推導獲得了能量和信息波束形矢量的閉式表達以及時間切換因子最優(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)提出了非完美竊聽信道狀態(tài)信息條件下無線供能中繼系統(tǒng)的安全傳輸方案設計理論。在創(chuàng)新點1）的基礎上，為抑制全雙工中繼帶來的回路

6、干擾對信息安全傳輸性能的負面影響，提出了一種新型兩時隙全雙工中繼協(xié)議。該協(xié)議不僅可充分利用中繼天線資源實現(xiàn)無線信息與能量同傳，而且可利用回路干擾信號能量為中繼供能，實現(xiàn)自能量回收(S-ER，Self-Energy Recycling)。進一步，研究了非完美竊聽信道狀態(tài)信息對系統(tǒng)保密率性能影響，推導了系統(tǒng)最差保密率(WCSR，Worst-Case Secrecy Rate)解析表達式，提出了魯棒波束矢量和中繼功率分配因子設計方案。與傳統(tǒng)的

7、基于時間切換協(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80％的WCSR性能增益。
　　3)提出了基于用戶社交關系感知的物理層安全傳輸方案設計方法。為有效刻畫協(xié)作節(jié)點社交關系對協(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-合法接收端通信對間的社交信任機制，推導了兼顧協(xié)作節(jié)點社交關系的系統(tǒng)期望保密率解析表達式。進一步，提出了可感知協(xié)作節(jié)點社交關系信任度的協(xié)作干擾波束設計方案，并針對協(xié)作中繼能量受限這一個問題，