惡意干擾下的物理層安全技術(shù)研究.pdf

1、物理層安全技術(shù)從無(wú)線信道的本質(zhì)屬性出發(fā)，為安全通信提供了有效的解決思路。然而，現(xiàn)有的物理層安全技術(shù)主要針對(duì)被動(dòng)竊聽(tīng)，當(dāng)非法用戶主動(dòng)發(fā)送惡意干擾時(shí)，它能同時(shí)增強(qiáng)竊聽(tīng)性能和降低合法用戶的接收質(zhì)量，給物理層安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)惡意干擾下的物理層安全技術(shù)研究，目前還存在以下問(wèn)題：1）缺乏抑制竊聽(tīng)方導(dǎo)頻干擾的物理層安全傳輸方案，導(dǎo)致合法通信無(wú)法得到保障；2）針對(duì)單用戶場(chǎng)景下的相干干擾，缺乏有效的物理層安全傳輸方案，導(dǎo)致系統(tǒng)安全速率低。針對(duì)上述

2、問(wèn)題，本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目對(duì)惡意干擾下的物理層安全技術(shù)展開(kāi)專(zhuān)門(mén)研究。
　　論文首先定量地分析了惡意干擾對(duì)系統(tǒng)安全性能的影響，從而獲取干擾威脅產(chǎn)生的根本因素和降低干擾性能的參數(shù)等重要結(jié)論。然后在所得結(jié)論的指導(dǎo)下，針對(duì)導(dǎo)頻干擾，提出了一種基于導(dǎo)頻圖案和人工噪聲的物理層安全傳輸方案；針對(duì)相干干擾，提出了一種基于連續(xù)零和博弈的物理層安全傳輸方案。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　1、定量地分析了惡意干擾對(duì)系統(tǒng)安全性能的影響，為研究安全

3、傳輸方案提供指導(dǎo)思路：1）針對(duì)導(dǎo)頻干擾，分析干擾下的信道估計(jì)結(jié)果，并推導(dǎo)基于人工噪聲的安全速率公式，從而獲取導(dǎo)頻干擾的根本威脅為被干擾的信道估計(jì)結(jié)果是合法信道和竊聽(tīng)信道的線性相加，提供的指導(dǎo)思路為：消除估計(jì)結(jié)果中的竊聽(tīng)信道部分，從而降低導(dǎo)頻干擾的影響；2）針對(duì)相干干擾，推導(dǎo)了干擾下的安全速率公式，進(jìn)一步分析系統(tǒng)噪聲和干擾者位置等參數(shù)對(duì)性能的影響，得出惡意干擾者的干擾能力隨著系統(tǒng)噪聲的增加而降低，提供的指導(dǎo)思路為：人為地增大“系統(tǒng)噪聲”，

4、從而降低惡意干擾者的相干干擾能力。
　　2、提出了一種基于導(dǎo)頻圖案和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。根據(jù)性能分析中的指導(dǎo)思路，首先合法接收方根據(jù)協(xié)商的導(dǎo)頻圖案發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，發(fā)送方在信道估計(jì)階段獲取竊聽(tīng)信道的近似估計(jì)，并用其消除被干擾估計(jì)結(jié)果中的竊聽(tīng)信道部分，從而降低導(dǎo)頻干擾的影響。然后，發(fā)送方根據(jù)獲取的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)合理的預(yù)編碼矩陣，同時(shí)發(fā)送信號(hào)和人工噪聲，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的安全傳輸。數(shù)值仿真表明當(dāng)干擾功率為100mW時(shí)，本文所提方案下的

5、安全速率平均提高了1.34bit/s/Hz。
　　3、提出了一種基于連續(xù)零和博弈的物理層安全傳輸方案。根據(jù)性能分析中的指導(dǎo)思路，首先建立發(fā)送方和惡意干擾者之間以安全速率為目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)零和博弈模型：發(fā)送方通過(guò)同時(shí)發(fā)送源信號(hào)和結(jié)構(gòu)性噪聲提高安全速率，惡意干擾者通過(guò)發(fā)送相干干擾降低安全速率；然后根據(jù)信道狀態(tài)確定各自的策略集，并分析策略集對(duì)應(yīng)的納什均衡；最后利用均衡解指導(dǎo)發(fā)送方合理分配源信號(hào)和結(jié)構(gòu)性噪聲的功率。數(shù)值仿真表明在給出的仿真條