無(wú)線物理層安全傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線物理層安全技術(shù)利用發(fā)送端到合法用戶(hù)的信道和到竊聽(tīng)者的信道之間的隨機(jī)性、差異性和互易性等特性從物理層上實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸。它從信息論意義上確保竊聽(tīng)者無(wú)法獲取信源發(fā)送的信息，在抗竊聽(tīng)、低截獲和無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。多天線技術(shù)通過(guò)利用豐富的空間資源，不僅能夠獲得傳輸?shù)目煽啃院陀行詢(xún)煞矫娴膬?yōu)勢(shì)，而且自然增加了信道間差異性，為無(wú)線物理層安全技術(shù)研究提供了廣闊的空間。然而，多天線系統(tǒng)的物理層安全傳輸性能很大程度上依賴(lài)于發(fā)送

2、端獲取的信道狀態(tài)信息（CSI），不同信道信息條件和應(yīng)用場(chǎng)景下的安全傳輸成為物理層安全技術(shù)研究中的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴針對(duì)多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng)中發(fā)送端已知竊聽(tīng)信道統(tǒng)計(jì)信息的情況，研究了人工噪聲輔助安全傳輸?shù)墓β史峙鋯?wèn)題，提出了一種最小化系統(tǒng)保密中斷概率的最優(yōu)功率分配算法。已有研究證明，在僅有竊聽(tīng)信道統(tǒng)計(jì)信息的情況下，人工噪聲的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)正交于主信道，而且系統(tǒng)的安全性能取決于有用信號(hào)和人工噪聲間的功率分配

3、。論文推導(dǎo)了保密中斷概率的閉合表達(dá)式，并以最小化保密中斷概率為目標(biāo)設(shè)計(jì)了最優(yōu)功率分配算法。針對(duì)單個(gè)具有多天線的竊聽(tīng)者情況，提出了一種基于Golden搜索的最優(yōu)功率分配算法。針對(duì)多個(gè)具有單天線的竊聽(tīng)者情況，提出了一種閉合的最優(yōu)功率分配算法，并將最優(yōu)功率分配算法轉(zhuǎn)化為一個(gè)確定性方程求解，從而推導(dǎo)得到其閉合解。針對(duì)上述兩種場(chǎng)景的仿真結(jié)果表明所提出的最優(yōu)功率分配算法性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)波束成形算法和等功率分配算法。
　?、漆槍?duì)多輸入多輸出多竊

4、聽(tīng)（MIMOME）模型中發(fā)送端未知竊聽(tīng)信道信息的情況，提出了一種發(fā)送天線選擇(TAS）和最大比合并（MRC）相結(jié)合的安全傳輸算法。在這種場(chǎng)景下的安全傳輸設(shè)計(jì)中，發(fā)送端需要得到合法接收端反饋的最優(yōu)天線系數(shù)。在理想反饋時(shí)，系統(tǒng)能夠獲得與未考慮安全性傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)多天線系統(tǒng)相同的分集階數(shù)，且該分集階數(shù)與竊聽(tīng)者天線數(shù)目無(wú)關(guān)。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于信道反饋延時(shí)、信道估計(jì)誤差等因素影響，理想反饋幾乎是不可能的。論文分別研究了時(shí)延反饋、錯(cuò)誤反饋以及聯(lián)合時(shí)延和

5、錯(cuò)誤反饋對(duì)發(fā)送天線選擇和最大比合并算法安全性能的影響，推導(dǎo)了獲得非零保密傳輸速率的概率和保密中斷概率的閉合表達(dá)式。通過(guò)分析高信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）下的漸近保密中斷概率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)延或錯(cuò)誤等非理想反饋時(shí)，來(lái)自天線選擇的分集增益將消失，系統(tǒng)僅僅獲得接收端的最大比合并分集增益。所得分析結(jié)果更具有一般性，可直接擴(kuò)展到已有文獻(xiàn)中研究的理想反饋情況。論文通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的正確性。
　?、轻槍?duì)多

6、輸入單輸出的感知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)（MISO-CRN）中發(fā)送端未知竊聽(tīng)信道信息的情況，提出了一種人工噪聲輔助安全傳輸算法。假定網(wǎng)絡(luò)中主用戶(hù)和次用戶(hù)工作于Underlay模式。該算法從用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的角度，在保證次用戶(hù)（SU）的接收信干噪比（SINR）和主用戶(hù)（PU）的干擾溫度約束下，最大化人工噪聲的發(fā)送功率。當(dāng)次用戶(hù)發(fā)送端已知主用戶(hù)信道信息和次用戶(hù)信道信息時(shí)，理論證明了波束成形是最優(yōu)的有用信號(hào)傳輸策略，此時(shí)輸入方差矩陣的秩為1。然而，當(dāng)

7、次用戶(hù)發(fā)送端獲取的信道信息存在誤差時(shí)，理想信道條件下設(shè)計(jì)的人工噪聲策略將產(chǎn)生噪聲泄漏，嚴(yán)重影響合法用戶(hù)的接收性能。論文假定次用戶(hù)發(fā)送端獲取的主用戶(hù)信道信息和次用戶(hù)信道信息均存在誤差，分別將信道誤差建模為信道矢量誤差模型、信道方差誤差模型和統(tǒng)計(jì)信道誤差模型。在信道矢量誤差模型和信道方差誤差模型下，論文提出了一種基于最差性能的魯棒人工噪聲算法，相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè) NP-hard(Non-deterministic Polynomial h

8、ard）問(wèn)題。基于S-Procedure引理和凸優(yōu)化理論，論文推導(dǎo)了等效的約束條件，并將原始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)半正定規(guī)劃（SDP）問(wèn)題，從而得到了最優(yōu)的人工噪聲輸入方差設(shè)計(jì)。針對(duì)統(tǒng)計(jì)信道誤差模型，論文提出了一種基于中斷概率約束的魯棒人工噪聲算法，相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)機(jī)會(huì)約束的非凸問(wèn)題。借助于Bernstein型不等式，論文將復(fù)雜的概率約束條件轉(zhuǎn)化為一系列確定性不等式，從而獲得了人工噪聲輸入方差的一個(gè)近似解。仿真結(jié)果表明，提出的魯棒人工噪

9、聲算法在三種信道誤差模型下均有效地降低了信道誤差的影響。
　?、柔槍?duì)單向中繼竊聽(tīng)系統(tǒng)、雙向中繼竊聽(tīng)系統(tǒng)和MIMO非信任中繼竊聽(tīng)系統(tǒng)中發(fā)送端已知理想的信道信息情況，分別提出了相關(guān)的最優(yōu)中繼波束成形算法、中繼聊天安全傳輸算法和目的端干擾輔助安全傳輸算法。在出現(xiàn)單天線竊聽(tīng)者的單向中繼系統(tǒng)中，目前并沒(méi)有合適的算法來(lái)計(jì)算放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）模式下最大化保密傳輸速率的中繼波束成形矢量。首先提出了一種基于分支定界的中繼波束成形算法，并理論證明該算法

10、能夠獲得全局最優(yōu)解?？紤]到最優(yōu)算法的計(jì)算復(fù)雜度高，進(jìn)一步提出了一種基于廣義功率迭代（GPI）的次優(yōu)中繼波束成形算法。次優(yōu)算法在每次迭代過(guò)程中僅需要計(jì)算三個(gè)矩陣值，有效地降低了計(jì)算復(fù)雜度。在雙向中繼竊聽(tīng)系統(tǒng)中，已有文獻(xiàn)提出的聯(lián)合中繼和干擾節(jié)點(diǎn)選擇算法存在著保密中斷概率隨著信噪比增加而并不趨近于零的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，論文提出了一種中繼聊天（RC）安全傳輸算法。該算法結(jié)合了機(jī)會(huì)中繼選擇和協(xié)作干擾兩方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)選擇多個(gè)中繼使用分布式波

11、束成形能夠消除對(duì)合法接收端的干擾影響，而僅降低竊聽(tīng)者的接收性能。理論分析和仿真結(jié)果表明在高信噪比下，所提中繼聊天安全傳輸算法的保密中斷概率將趨近于零。進(jìn)一步，在實(shí)際系統(tǒng)中，中繼可能是非信任的（即中繼試圖破譯信源發(fā)送信息），此時(shí)沒(méi)有直傳路徑的MIMO中繼系統(tǒng)并不能進(jìn)行安全傳輸。針對(duì)此場(chǎng)景，論文提出了兩種目的端干擾輔助的安全傳輸算法，即聯(lián)合信源、中繼和目的端的預(yù)編碼算法和基于非信任中繼天線選擇算法。在聯(lián)合信源、中繼和目的端的預(yù)編碼算法中，提

12、出了一種基于交替迭代的最優(yōu)信源、中繼和目的端預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)方案來(lái)最大化系統(tǒng)保密傳輸速率。其中，最優(yōu)的信源和目的端預(yù)編碼矩陣分別通過(guò)求解一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題獲得，而最優(yōu)的中繼預(yù)編碼矩陣具有閉合解。在基于非信任中繼天線選擇算法中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了最優(yōu)策略（Optimal）、最大化非信任中繼SINR策略（Suboptimal I）和最小化非信任中繼SINR策略（Suboptimal II）等多種天線選擇策略。仿真結(jié)果表明，提出的聯(lián)合預(yù)編碼