基于人工噪聲的物理層保密性能研究.pdf

1、無線通信系統(tǒng)中的傳輸媒介具有廣播特性，合法用戶之間的信息傳遞過程存在被非法用戶竊聽的問題，因此如何保證無線通信系統(tǒng)的安全性已成為無線通信領(lǐng)域亟待解決的問題之一。物理層安全技術(shù)是利用物理信道特性保證無線通信系統(tǒng)保密性的有效手段，與傳統(tǒng)的以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的保密通信不同，物理層安全技術(shù)不需要在網(wǎng)絡(luò)上層進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。如何利用物理層傳輸技術(shù)保證竊聽者接收不到有用信息來提高無線通信系統(tǒng)的保密性能，是當(dāng)前無線通信研究的熱點(diǎn)問題。波束成形技術(shù)和人工噪聲技

2、術(shù)是保證物理層安全，實(shí)現(xiàn)保密通信的兩種重要方法。本文針對有保密需求的MISO系統(tǒng)和協(xié)作中繼系統(tǒng)兩個場景，研究了如何提高兩個系統(tǒng)的保密性能的問題，提出了利用人工噪聲技術(shù)來降低保密中斷概率，提高保密容量的方法。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　(1)針對MISO系統(tǒng)中存在多個被動竊聽器，且竊聽器的位置是服從泊松分布的場景，研究了利用人工噪聲技術(shù)提升MISO系統(tǒng)的保密性能的問題。在所研究的MISO場景中，針對竊聽器的位置和信道狀態(tài)信

3、息都不可知的情況，提出了采用保密中斷概率作為衡量保密性能指標(biāo)的方法。通過在發(fā)送端引入人工噪聲技術(shù)和波束成形技術(shù)，有效地降低了通信系統(tǒng)的保密中斷概率。在人工噪聲的設(shè)計(jì)過程中，通過對多天線陣列權(quán)重的設(shè)計(jì)，使人工噪聲位于主信道的零空間，在不干擾合法目的接收端的情況下，對服從泊松分布的竊聽器進(jìn)行干擾。采用隨機(jī)幾何理論推導(dǎo)出了系統(tǒng)的保密中斷概率的閉式表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了保密范圍的閉式表達(dá)式，從幾何空間的角度刻畫了保密性能，并通過仿真驗(yàn)證

4、了所提出的方法的有效性。仿真結(jié)果表明，在波束成形技術(shù)的基礎(chǔ)上添加人工噪聲技術(shù)能夠有效地提高M(jìn)ISO系統(tǒng)的保密性能。
　　(2)針對協(xié)作中繼系統(tǒng)中存在單個竊聽用戶的場景，研究了最大化協(xié)作中繼系統(tǒng)保密容量的問題，提出了在協(xié)作通信兩個階段均引入人工噪聲技術(shù)的方案。在人工噪聲的設(shè)計(jì)過程中，協(xié)作通信的兩個階段采用不同的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生人工噪聲，第一階段利用目的接收端的天線產(chǎn)生人工噪聲，節(jié)省了額外的干擾中繼節(jié)點(diǎn)。第二階段利用中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作發(fā)送人工噪