協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中物理層安全問(wèn)題研究.pdf

1、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可望解決頻譜資源利用率低下的問(wèn)題，在過(guò)去數(shù)十年里得到了長(zhǎng)足發(fā)展。協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電作為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和協(xié)作中繼傳輸技術(shù)的結(jié)合，受到了全球?qū)W術(shù)界的廣泛關(guān)注。在協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，初級(jí)用戶(hù)租賃其頻譜供次級(jí)用戶(hù)使用，以期通過(guò)次級(jí)用戶(hù)的協(xié)作傳輸提高網(wǎng)絡(luò)性能。同其他無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，由于無(wú)線(xiàn)信道的廣播特性，協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)面臨著竊聽(tīng)威脅。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制建立在網(wǎng)絡(luò)層之上，以密鑰加密的方式保證保密通信。然而，隨著竊聽(tīng)者計(jì)算能力的提高

2、，現(xiàn)有加密機(jī)制的安全性能受到了沖擊。此外，由于協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)自組織、低復(fù)雜度、資源受限等網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，算法復(fù)雜度高的密鑰加密方式所必須的密鑰分配和密鑰管理在該網(wǎng)絡(luò)中難以部署實(shí)施。不同于密鑰加密方式，處于物理層的安全通信技術(shù)，可以充分利用無(wú)線(xiàn)信道固有的時(shí)變、隨機(jī)等特性，能夠從信息論的角度帶來(lái)額外的安全保障，是現(xiàn)有安全機(jī)制的重要補(bǔ)充。物理層安全擁有低復(fù)雜度、低能耗、無(wú)需密鑰生成分配等優(yōu)勢(shì)，特別適合應(yīng)用于協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)。然而，目前已有的物

3、理層安全方案所針對(duì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為單一，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中性能較差。同時(shí)，已有的物理層安全方案對(duì)于用戶(hù)合作機(jī)制未進(jìn)行深入研究，在協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的可推廣性和可實(shí)現(xiàn)性存在不足。本文針對(duì)上述內(nèi)容，對(duì)協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問(wèn)題進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究，主要內(nèi)容包括:
　　1.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)作干擾的物理層安全問(wèn)題?？紤]到網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)的協(xié)作特性，提出使用協(xié)作干擾技術(shù)的物理層安全方案，保證了網(wǎng)絡(luò)中初級(jí)

4、用戶(hù)和次級(jí)用戶(hù)通信的可靠性和安全性，具體而言:1）使用半定規(guī)劃理論，結(jié)合迫零波束成形技術(shù)，推導(dǎo)得出了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波束成形向量和解碼向量;2）使用幾何規(guī)劃方法，在全局功率約束條件下，優(yōu)化得出了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功率分配向量，獲得了安全容量的最優(yōu)解;3）研究了干擾源多選問(wèn)題，使用聯(lián)盟博弈形成理論，根據(jù)合并-分裂規(guī)則和最大帕累托比較標(biāo)準(zhǔn)，提出了干擾源多選算法，得出了穩(wěn)定收斂的干擾源聯(lián)盟結(jié)構(gòu)。
　　2.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的干擾源-中繼節(jié)

5、點(diǎn)聯(lián)合選擇問(wèn)題。認(rèn)識(shí)到已有研究對(duì)于協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息瞬時(shí)已知的假設(shè)過(guò)于理想，本文考慮了僅可獲知協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì)分布的情況，提出了基于最優(yōu)停止理論的干擾源-中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合選擇方案，具體而言:1）將干擾源-中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合選擇問(wèn)題建模為最優(yōu)停止問(wèn)題，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)安全容量和時(shí)間效率，設(shè)計(jì)了停止收益函數(shù);2）推導(dǎo)得出了每步觀測(cè)收益函數(shù)期望值，提出了最優(yōu)停止準(zhǔn)則，給出了基于最優(yōu)停止理論的選擇算法，并證明了算法的收斂性質(zhì);3）證明了最優(yōu)觀測(cè)序列

6、的存在性，并使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃推導(dǎo)得出了次級(jí)用戶(hù)的最優(yōu)觀測(cè)序列，優(yōu)化了方案的性能。
　　3.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的干擾源激勵(lì)問(wèn)題。已有的研究假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)無(wú)償?shù)幕ㄙM(fèi)能量發(fā)送干擾信號(hào)，對(duì)于干擾源的激勵(lì)問(wèn)題未予考慮。考慮到協(xié)作認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)的個(gè)人理性，本文提出了使用能量收集技術(shù)的干擾源激勵(lì)方案。此外，不同于已有研究，本文將竊聽(tīng)者信道狀態(tài)信息已知的假設(shè)弱化為僅可獲知竊聽(tīng)者部分信道狀態(tài)信息，具體而言:1）根據(jù)信道不確定范數(shù)約束模型，使