基于自由度分析的物理層安全通信理論和方法研究.pdf

1、如何在保證保密數(shù)據(jù)不被竊聽者竊取的同時(shí)，以更大的傳輸速率傳輸保密數(shù)據(jù)，一直是物理層安全(Physical Layer Security，PHY)傳輸中最受關(guān)注的問題。對(duì)于給定的多天線輸入多天線輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)竊聽信道，PHY傳輸?shù)陌踩萘筷P(guān)于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的閉合表達(dá)式已經(jīng)明朗。然而，如何優(yōu)化輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣，從而獲得最大可達(dá)安全傳輸速率，卻還面臨著許多的理論難題：1)安全傳輸速率關(guān)

2、于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的優(yōu)化問題是非凸的，很難找到可解析分析的方法，確切的安全容量值仍然是一個(gè)開放性問題。2)由于人工噪聲的引入，噪聲信號(hào)協(xié)方差矩陣與信息信號(hào)協(xié)方差矩陣相互耦合，這使得安全容量的解析分析變得更加困難。3)在更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景下，即保密通信與公用通信融合的場(chǎng)景、雙向通信場(chǎng)景、Active-竊聽場(chǎng)景，如何洞察PHY傳輸技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理，突破現(xiàn)有的 PHY傳輸方法，解決現(xiàn)有 PHY傳輸技術(shù)中存在的頻譜利用率低、計(jì)算復(fù)雜度高及魯棒性

3、差等問題，具有極強(qiáng)的研究意義及應(yīng)用價(jià)值。
　　針對(duì)以上問題，本文以支持更高的安全傳輸速率為核心目標(biāo)，分析最大可達(dá)安全傳輸速率與通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，提出能夠支持更高安全傳輸速率的物理層安全傳輸方案。可以預(yù)見，本文的研究成果可以發(fā)展和完善物理層安全傳輸理論框架、技術(shù)方案和算法，并推動(dòng)物理層安全傳輸關(guān)鍵技術(shù)在未來無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要工作如下：
　　1)針對(duì)安全速率關(guān)于輸入?yún)f(xié)方差矩陣非凸的問題，本文提出了以安全

4、自由度為度量指標(biāo)。安全自由度，代表高信噪比下可達(dá)安全傳輸速率隨功率增長(zhǎng)的斜率，因此具有明顯的物理意義；此外，由于可達(dá)安全自由度與系統(tǒng)工作功率無關(guān)，其解析結(jié)果相較于安全速率的分析而言，要簡(jiǎn)單一些。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，本文研究了可達(dá)安全自由度或者可達(dá)安全自由度域，與系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。此函數(shù)關(guān)系揭示了可達(dá)安全傳輸速率或者可達(dá)安全傳輸速率域與系統(tǒng)各參數(shù)之間的解析關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
　　2)針對(duì)噪聲信號(hào)協(xié)方

5、差矩陣與信息信號(hào)協(xié)方差矩陣相互耦合的問題，在最大可達(dá)安全自由度不變的前提下，通過縮小預(yù)編碼矩陣的定義域，降低優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣的困難。具體的，本文考慮了應(yīng)用額外輔助節(jié)點(diǎn)發(fā)送人工噪聲的四節(jié)點(diǎn)抗竊聽場(chǎng)景，所有的節(jié)點(diǎn)均配置了多根天線。首先，本文提出了一種啟發(fā)式的安全傳輸方案：信息信號(hào)和噪聲信號(hào)對(duì)齊在竊聽者的同一個(gè)接收信號(hào)子空間里，且分散在合法者不同的接收信號(hào)子空間里。接著，本文證明了滿足安全傳輸方案約束的預(yù)編碼矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)最大可達(dá)安全自由度。

6、在此安全傳輸方案的基礎(chǔ)上，本文提出了閉式的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)方案，并給出了系統(tǒng)最大可達(dá)安全自由度與系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。
　　3)針對(duì)保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存融合的問題，本文研究了基于干擾協(xié)調(diào)的PHY傳輸技術(shù)。具體的，本文考慮保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景，利用來自公用網(wǎng)絡(luò)的共信道干擾替代人工噪聲，達(dá)到提高安全傳輸速率的目的。通過將四節(jié)點(diǎn)抗竊聽信道中所提的安全傳輸方案進(jìn)行擴(kuò)展，本文提供了實(shí)現(xiàn)自由度域外邊界上自由

7、度對(duì)的預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)方案；給出了最大可達(dá)安全自由度域與各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。此函數(shù)關(guān)系從理論上明確了公用網(wǎng)絡(luò)與保密通信網(wǎng)絡(luò)可達(dá)安全傳輸速率之間的折中關(guān)系。仿真結(jié)果證實(shí)了，隨著兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間距離的拉近，雖然公用網(wǎng)絡(luò)可支持的傳輸速率有所下降，但是下降數(shù)值小于保密通信網(wǎng)絡(luò)可支持的安全傳輸速率的增加值。并且，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間距離的拉近，能夠?qū)褂捎谛诺拦烙?jì)誤差帶來的安全傳輸速率的下降。
　　4)針對(duì)經(jīng)典竊聽信道中，安全容量受限的問題，

8、本文研究了一種新的通信結(jié)構(gòu)——雙向通信，旨在提供安全服務(wù)的同時(shí)，提供更高的安全傳輸速率。具體的，本文考慮通信雙方均以全雙工模式工作，即，在接收信號(hào)的同時(shí)，發(fā)送信息信號(hào)給對(duì)方。和保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景相比，此時(shí)竊聽者對(duì)通信雙方發(fā)送的信息信號(hào)都感興趣。因此，可達(dá)安全傳輸速率域關(guān)于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加困難。通過對(duì)四節(jié)點(diǎn)抗竊聽信道中所提的安全傳輸方案進(jìn)行擴(kuò)展，本文給出了預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)方案；同時(shí)本文給出了可達(dá)和安全自由

9、度關(guān)于各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。仿真結(jié)果證實(shí)了，所提方案不僅計(jì)算復(fù)雜度低，而且能夠支持更高的安全傳輸速率，對(duì)自干擾及竊聽者的位置均具有魯棒特性。
　　5)針對(duì) Active-竊聽(竊聽者根據(jù)實(shí)際情況決定是否發(fā)送干擾信號(hào)攻擊、阻止當(dāng)前通信過程)的問題，本文研究了對(duì)應(yīng)的PHY傳輸技術(shù)。具體的，本文提出合法接收端僅用一部分天線接收信息信號(hào)，另外一部分天線發(fā)送人工噪聲，惡化竊聽信道質(zhì)量；并且，以最大化可達(dá)安全自由度為目標(biāo)，優(yōu)化了合法接