協(xié)作波束成形與多中繼物理層安全.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步和手機(jī)的普及，人們對(duì)要求更優(yōu)質(zhì)的通話服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)和更高速的數(shù)據(jù)傳輸。需求帶動(dòng)著理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，在最近普及的4G網(wǎng)絡(luò)中，MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)勢(shì)得到了應(yīng)用。MIMO技術(shù)通過能夠提高系統(tǒng)的空間分集增益和復(fù)用增益，減小信號(hào)衰落帶來的影響，提高信息傳輸速率，保障系統(tǒng)的QoS。然而由于需要多根天線的架設(shè)，會(huì)導(dǎo)

2、致設(shè)備成本過高或者不便于移動(dòng)。
　　在通信可靠性的基礎(chǔ)上，信息的安全性和私密性也是通信研究過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題，特別是在無線通信中由于無線介質(zhì)的廣播特性，信息傳輸?shù)陌踩杂葹橹匾，F(xiàn)有的保證信息機(jī)密傳輸?shù)氖侄沃饕歉鶕?jù)香農(nóng)提出的信息論安全方案，在網(wǎng)絡(luò)層信號(hào)的編碼和解碼階段使用加密方法，通過安全秘鑰算法或者公鑰方法，確保只有享有私鑰的用戶才能解碼出原信息。然而由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，秘鑰分配更加困難，通過加密手段保證系統(tǒng)安全性將會(huì)越來

3、越困難。因此，物理層安全無線通信受到了極大的期望。物理層安全是指在TCP/IP模型中的物理層中，通過一定的技術(shù)方案，盡量實(shí)現(xiàn)信息的無泄漏傳輸。物理層安全是基于Wyner在1975年提出的理論，當(dāng)竊聽用戶的CSI(Channel State Information)較差于合法用戶的CSI時(shí)，就可以得出信息傳輸?shù)淖畲蟀踩俾?。在這個(gè)理論前提下，關(guān)于物理層安全的研究有著快速的發(fā)展。
　　協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中，利用多個(gè)移動(dòng)終端作為中繼，相互協(xié)作

4、轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，可以形成一個(gè)類似MIMO的多天線陣列?？梢跃哂蠱IMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)增加空信息容量、降低能量消耗，并且具有很好的便攜性。在多中繼網(wǎng)絡(luò)中利用波束成形技術(shù)，可以通過簡(jiǎn)潔明了的信號(hào)加權(quán)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定向傳輸，提高接收端信號(hào)的SNR(Signal to Noise Ratio)。在物理層安全中，利用多中繼協(xié)作通信，可以使用更多的技術(shù)比如波束成形、協(xié)作干擾和干擾對(duì)齊來提高系統(tǒng)的安全容量，增加傳輸中的保密自由度。本論文的主要主要貢獻(xiàn)點(diǎn)如下:

5、r>　　提出了在多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)中通過遺傳算法設(shè)計(jì)波束權(quán)值來提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)信道衰落尤為嚴(yán)重的時(shí)候，通過兩個(gè)中繼群依次對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)來增加信號(hào)的SNR。根據(jù)優(yōu)化問題信噪比最大化和中繼功率最小化來分別設(shè)計(jì)兩個(gè)中繼群的波束權(quán)重。在問題優(yōu)化過程中，將兩個(gè)變量的優(yōu)化問題通過數(shù)學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)化為單一變量的問題，進(jìn)而使用遺傳算法進(jìn)行求解。對(duì)比用遺傳算法直接求解原始問題，優(yōu)化后的問題由于初始變量的折半，會(huì)減少很多的計(jì)算時(shí)間。仿真結(jié)果表明跟迭代計(jì)算凸優(yōu)

6、化方法對(duì)比，我們的方法有了較大的性能提升。
　　研究了在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問題，計(jì)算系統(tǒng)最大可達(dá)的安全自由度。其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均配備單根天線。多個(gè)中繼分為兩個(gè)群組，不僅幫助信息的傳輸，同時(shí)通過發(fā)送高斯噪聲干擾潛在的惡意竊聽用戶來提高信息在物理層傳輸?shù)陌踩?。通過在于擾群組中共享隨機(jī)的干擾信號(hào)，可以計(jì)算出多中繼系統(tǒng)中可以達(dá)到的最大自由度DoF(Degree of Freedom)為1/2，并且在高信噪比下更為接近。給出了達(dá)到最大