基于人工噪聲的物理層信息安全研究.pdf

1、鑒于無線媒介的廣播特性，其信息傳輸?shù)陌踩砸恢眰涫荜P(guān)注。作為對加密技術(shù)的一種補充，物理層安全成為一種新的研究方向。在發(fā)送信號中添加人工噪聲的方式是一種衰落竊聽信道下實現(xiàn)保密通信的有效方法。因此，以凸優(yōu)化理論為數(shù)學工具，本文對基于人工噪聲的物理層信息安全進行深入研究，重點研究多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)和認知無線電網(wǎng)絡(luò)的保密通信的魯棒性設(shè)計。論文的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　 (1)為實現(xiàn)發(fā)射端和合法接收端的保密通信，根據(jù)通信系統(tǒng)的

2、物理層特性，引入分布于主信道（發(fā)射端和合法接收端之間的信道）零空間內(nèi)的人工噪聲，通過衰落竊聽信道（發(fā)射端與非法接收端之間的信道），降低非法接收端的信噪比。仿真結(jié)果表明，此添加人工噪聲的方法在干擾竊聽信道的同時不會對主信道造成任何影響，可以實現(xiàn)發(fā)射端與合法接收端之間的保密通信，但沒有考慮功率分配優(yōu)化問題。
　　 (2)為實現(xiàn)發(fā)射功率的合理分配，論文研究一種波束成形矢量和人工噪聲的協(xié)方差矩陣聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計方法。假設(shè)發(fā)射端能獲取主信道

3、和竊聽信道的完整的信道狀態(tài)信息(CSI)，為保證合法接收端的服務(wù)質(zhì)量，以最小化總發(fā)射功率為目標，限制合法接收端信噪比的最小值和非法接收端信噪比的最大值為約束條件，實現(xiàn)發(fā)射功率在人工噪聲和信息信號之間的合理分配，節(jié)省功率資源。仿真結(jié)果證明，在實現(xiàn)相同程度的保密通信條件下，添加人工噪聲的設(shè)計方法比未添加人工噪聲的設(shè)計方法節(jié)省發(fā)射功率，也說明人工噪聲對于提高系統(tǒng)保密通信性能的作用。
　　 (3)針對發(fā)射端只獲得信道狀態(tài)信息的均值，信道

4、誤差在一定范圍內(nèi)的情況，論文提出了一種基于人工噪聲的以優(yōu)化發(fā)射功率為目標的魯棒性設(shè)計方法，對優(yōu)化問題進行數(shù)學建模和數(shù)值求解。在求解最優(yōu)波束成形矢量和人工噪聲的協(xié)方差矩陣時，CSI存在不確定度，優(yōu)化問題的約束條件為無限多個，無法求解。論文采用S-procedure定理，將無限個約束條件變換為有限的線性矩陣不等式。仿真結(jié)果表明，論文提出的魯棒性設(shè)計方法可提高保密通信系統(tǒng)發(fā)射功率的穩(wěn)定性。
　　 (4)考慮到認知無線電技術(shù)可以提高頻譜

5、資源的利用率，論文研究認知無線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物理層安全問題，對波束成形矢量和人工噪聲協(xié)方差矩陣進行聯(lián)合優(yōu)化。以最大化次用戶接收端的信噪比為目標，限制非法接收端的接收信噪比最大值、主用戶處的干擾溫度（次用戶發(fā)射信號對主用戶接收端產(chǎn)生的干擾功率）及次用戶發(fā)射功率。在此基礎(chǔ)上，以最小化次用戶的發(fā)射功率為目標，限制次用戶的接收信噪比最小值和竊聽端接收信噪比的最大值及干擾溫度，論文提出了一種新的波束成形矢量和人工噪聲協(xié)方差矩陣的聯(lián)合設(shè)計方案，并對